книги / Основы конденсаторной техники
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
Т.В. Костыгова
ОСНОВЫ КОНДЕНСАТОРНОЙ ТЕХНИКИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2010
УДК 621.315 ББК 621.319.4(075.8)
К72
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Л.А. Ковригин (Пермский государственный технический университет);
технический директор В.Г. Савченко (ОАО «Камский кабель»)
Костыгова, Т.В.
К72 Основы конденсаторной техники: учеб. пособие / Т.В. Костыгова. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 207 с.
ISBN 978-5-398-00464-9
Приведены основные характеристики конденсаторов, их классификация. Показано влияние различных факторов на работу конденсаторов. Рассмотрены особенности конденсаторов с различным типом диэлектрика, их конструкция и технология изготовления.
Предназначено для студентов очной и заочной формы обучения по специальности 140611 «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника».
УДК 621.315 ББК 621.319.4(075.8)
ISBN 978-5-398-00464-9 |
© ГОУ ВПО |
|
«Пермский государственный |
|
технический университет», 2010 |
|
2 |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................... |
3 |
|
ЧАСТЬ 1 |
|
|
1. |
Классификация конденсаторов.............................................. |
8 |
2. |
Система условных обозначений и маркировка |
|
конденсаторов.............................................................................. |
10 |
|
3. |
Емкость..................................................................................... |
11 |
4. |
Номинальная емкость и допускаемые отклонения ............. |
15 |
5. |
Поляризация диэлектриков.................................................... |
16 |
6. |
Зависимость емкости конденсаторов от времени |
|
и от температуры......................................................................... |
17 |
|
7. |
Конденсатор в цепи постоянного тока.................................. |
23 |
|
7.1. Зарядка конденсатора...................................................... |
23 |
|
7.2. Сопротивление изоляции конденсатора и постоянная |
|
|
времени.................................................................................... |
27 |
|
7.3. Заряд реального конденсатора....................................... |
29 |
|
7.4. Разряд конденсатора при отсутствии |
|
|
индуктивности ........................................................................ |
33 |
|
7.5. Явление саморазряда....................................................... |
34 |
|
7.6. Коэффициент абсорбции конденсаторов...................... |
36 |
8. |
Конденсатор в цепи переменного тока ................................ |
39 |
|
8.1. Разряд конденсатора при наличии индуктивности...... |
39 |
|
8.2. Особенности прохождения переменного тока |
|
|
через конденсатор. Фильтровые и защитные |
|
|
конденсаторы.......................................................................... |
41 |
|
8.3. Индуктивность конденсаторов и полное |
|
|
сопротивление ........................................................................ |
43 |
|
8.4. Кажущаяся и реактивная мощность конденсатора. |
|
|
Включение конденсатора в цепь переменного тока .......... |
47 |
|
8.5. Зависимость емкости конденсатора от частоты |
|
|
и напряжения .......................................................................... |
52 |
9. |
Обкладки конденсаторов ....................................................... |
54 |
10. Металлизация диэлектрика ................................................. |
59 |
|
11. Особенности металлизированного диэлектрика .............. |
62 |
|
12. Потери энергии в конденсаторе ......................................... |
65 |
|
13. Расчет величины потерь в конденсаторе |
|
|
при синусоидальном напряжении ............................................ |
66 |
3
14. |
Угол потерь конденсатора................................................... |
72 |
15. |
Зависимость угла потерь конденсаторов от температуры, |
|
частоты и напряжения ............................................................... |
76 |
|
16. |
Угол потерь двух конденсаторов при их |
|
параллельном и последовательном соединении.................... |
82 |
|
17. |
Электрическая прочность конденсаторов ......................... |
85 |
18. |
Оценка электрической прочности конденсаторов........... |
91 |
19. |
Кратковременная электрическая прочность |
|
конденсаторов............................................................................. |
92 |
|
20. |
Тепловой пробой.................................................................. |
95 |
21. |
Ионизационный пробой....................................................... |
97 |
22. |
Электрохимический пробой................................................ |
101 |
23. |
Длительная электрическая прочность................................ |
102 |
24. |
Пробой по закраине.............................................................. |
105 |
25. |
Удельные характеристики конденсаторов ........................ |
107 |
ЧАСТЬ 2 |
|
|
1. Конденсаторы с газообразным диэлектриком .................... |
114 |
|
1.1. Общая характеристика конденсаторов |
|
|
с газообразным диэлектриком ............................................. |
114 |
|
1.2. Воздушные конденсаторы постоянной емкости......... |
115 |
|
1.3. Газонаполненные конденсаторы................................... |
116 |
|
1.4. Вакуумные конденсаторы.............................................. |
118 |
|
2. Конденсаторы с жидким диэлектриком............................... |
119 |
|
3. Конденсаторы с твердым неорганическим |
|
|
диэлектриком ............................................................................. |
120 |
|
3.1. Общая характеристика .................................................. |
120 |
|
3.2. Слюдяные конденсаторы .............................................. |
123 |
|
3.3. Стабильность емкости слюдяных конденсаторов...... |
129 |
|
3.4. Слюдяные конденсаторы малой мощности................. |
131 |
|
3.5. Слюдяные конденсаторы большой мощности ........... |
134 |
|
3.6. Слюдяные образцовые конденсаторы и магазины |
|
|
емкости.................................................................................... |
136 |
|
4. Керамические конденсаторы ................................................ |
136 |
|
4.1. Технология изготовления керамических |
|
|
конденсаторов........................................................................ |
137 |
|
4.2. Низковольтные керамические конденсаторы (К10) ... |
141 |
|
4.3. Керамические конденсаторы высокого |
|
|
напряжения (К15) ................................................................. |
144 |
4
5. Стеклянные конденсаторы .................................................... |
146 |
6. Стеклоэмалевые и стеклокерамические конденсаторы...... |
147 |
7. Тонкопленочные конденсаторы с неорганическим |
|
диэлектриком .............................................................................. |
147 |
8. Конденсаторы с органическим диэлектриком .................... |
150 |
9. Конденсаторная бумага ......................................................... |
151 |
9.1. Технология изготовления бумажных |
|
конденсаторов ........................................................................ |
157 |
9.2. Металлобумажные конденсаторы ................................ |
161 |
10. Пленочные конденсаторы ................................................... |
164 |
10.1. Конденсаторы с неполярными пленками ................... |
164 |
10.2. Конденсаторы с полярными пленками ...................... |
167 |
10.3. Конденсаторы с комбинированным диэлектриком .... |
169 |
10.4. Лакопленочные конденсаторы .................................... |
171 |
11. Электролитические (оксидные) конденсаторы ................. |
172 |
11.1. Конструкции электролитического конденсатора ...... |
175 |
11.2. Технология изготовления алюминиевых (сухих) |
|
электролитических конденсаторов ...................................... |
178 |
11.3. Танталовые электролитические конденсаторы ........ |
180 |
11.4. Ниобиевые и титановые конденсаторы ..................... |
182 |
12. Конденсаторы переменной емкости .................................. |
184 |
12.1. Конденсаторы с механически управляемой |
|
емкостью ................................................................................. |
184 |
12.2. Законы изменения емкости с углом поворота |
|
в плоских многопластинчатых конденсаторах |
|
с вращательным движением.................................................. |
189 |
13. Конденсаторы с электрически управляемой емкостью.... |
198 |
13.1. Сегнетоэлектрические конденсаторы (вариконды)..... |
200 |
13.2. Полупроводниковые конденсаторы (варикапы) ....... |
203 |
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ......................... |
206 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Электрический конденсатор – это устройство, состоящее из системы проводящих электрический ток обкладок и диэлектрика между ними.
Существует большое разнообразие схемных применений конденсаторов, но используется их основное свойство – накапливать (и соответственно отдавать) электрическую энергию, а также свойства, вытекающие из основного, – способность создавать ток, опережающий по фазе напряжение, и изменять свое сопротивление с частотой.
Электрический конденсатор появился в 1745 году, т.е. почти за 150 лет до появления кабеля и за 100 лет до появления электрической машины. Это одно из изобретений человечества, которое длительное время практически не применялось. Случайно сделанное в XVIII веке открытие эффекта накопления электрических зарядов лейденской банкой было как бы преждевременным, ибо появилось раньше, чем возникла необходимость и возможность его использования.
Начало технического применения конденсаторов относится к середине XIX века. Фарадей впервые ввел понятие о диэлектрической проницаемости диэлектрика. По его фамилии названа основная единица емкости.
Решающую роль в судьбе электрических конденсаторов сыграло изобретение и развитие радио, электронных ламп, внедрение в электрическую энергетику и промышленность системы переменного тока.
Начало создания отечественного конденсаторостроения в России относится к 20-м годам XX века. Этот период характеризуется полукустарным производством конденсаторов из импортного сырья с применением примитивного оборудования.
В настоящее время конденсаторы всевозможных размеров, свойств и назначений широко используются в электронике, электротехнике и энергетике.
6
Расширение областей использования конденсаторов и повышение требований, которым они должны удовлетворять, обусловили интенсивные научные исследования как самих конденсаторов, так и материалов, из которых они изготавливаются. Материалы, а также технология производства предопределяют дальнейший прогресс в конденсаторостроении.
Развитие микроэлектронной техники, внедрение систем связи на волоконной оптике, развитие промышленной и бытовой электроники привели к созданию многослойных керамических конденсаторов большой емкости, конденсаторов со сложными двойными и тройными диэлектриками, применению диэлектрических систем конденсаторов редкоземельных элементов, созданию импульсных конденсаторов для высоких частот повторения. Большое внимание уделяется созданию конденсаторов для работы в условиях сверхнизких и сверхвысоких температур.
7
ЧАСТЬ 1
1. Классификация конденсаторов
Многообразие применяемых конденсаторов с различным типом диэлектрика определяет их область применения. На рис. 1 приведена схема классификации конденсаторов по типу диэлектрика, характеру изменения емкости, способу защиты, номинальному напряжению, назначению и способу монтажа.
По характеру
изменения Конденсаторы По назначению емкости
|
Постоянные |
|
|
Переменные |
|
Подстроечные |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По способу |
|
|||||||
|
|
|
|
монтажа |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Для навесного |
|
|
Для печатного |
|
Для микромодулей |
|
Для микросхем |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По способу защиты
Незащищенные |
|
Защищенные |
|
Неизолированные |
|
Изолированные |
|
Уплотненные |
|
Герметизированные |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По значению |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
номинального |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
напряжения |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Общего назначения |
|
|
Специальные |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По виду |
|
||||
|
|
|
диэлектрика |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
С органическим |
|
|
С неорганическим |
|
С газообразным |
|
С оксидным |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Низковольтные
U н ≤ 1000 В U=н ≤ 1600 В
Высоковольтные
U н > 1000 В U=н > 1600 В
Рис. 1. Классификация конденсаторов
8
В зависимости от назначения различают конденсаторы общего и специального назначения. Группа общего назначения включает в себя широко применяемые конденсаторы, используемые в большинстве видов и классов аппаратуры (низковольтные конденсаторы). Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, пусковые, дозиметрические и др.
По характеру изменения емкости различают конденсато-
ры постоянной емкости, переменной емкости и подстроечные. У конденсаторов постоянной емкости емкость является фиксированной и в процессе эксплуатации не изменяется. Конденсаторы переменной емкости допускают изменение емкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Емкость подстроечных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры.
По характеру защиты от внешних факторов конденсато-
ры выполняются незащищенные, защищенные, неизолированные, изолированные, уплотненные и герметизированные. Незащищенные конденсаторы допускают эксплуатацию в условиях повышенной влажности только в составе герметизированной аппаратуры. Защищенные конденсаторы допускают эксплуатацию в аппаратуре любого исполнения. Неизолированные конденсаторы не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры. Изолированные конденсаторы имеют хорошее изоляционное покрытие (компаунды, пластмассы и т.д.) 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
9
осуществляется с помощью керамических и металлических корпусов или стеклянных колб.
2.Система условных обозначений
имаркировка конденсаторов
Система условных обозначений и маркировка конденсаторов может быть сокращенной и полной.
В соответствии с действующей системой сокращенное условное обозначение состоит из букв и цифр.
Первый элемент – буква или сочетание букв, обозначающее подкласс конденсаторов: К – постоянной емкости; КТ – подстроечные; КП – переменной емкости; КС – конденсаторные сборки.
Второй элемент – цифра, обозначающая группу конденсатора в зависимости от материала диэлектрика.
Третий элемент – цифра, которая определяется дефисом и обозначает регистрационный номер конкретного типа конденсатора. В состав третьего элемента может входить также буквенное обозначение.
Полное условное обозначение конденсатора состоит из сокращенного обозначения, обозначения и величины основных параметров и характеристик, необходимых для заказа и записи в конструкторской документации, обозначения климатического исполнения и документа на поставку. Например:
• керамический конденсатор постоянной емкости на номинальное напряжение Uном до 1600 В с регистрационным номером 17 имеет сокращенное условное обозначение К10-17;
•подстроечный керамический конденсатор с регистрационным номером 25 сокращенно обозначается КТ4-25;
•конденсатор керамический К10-7В, всеклиматического исполнения с температурным коэффициентом емко-
сти равным −47 10−6 °С–1, номинальной емкостью 27 пФ, с допуском ±10 %, поставляемый по ГОСТ 5.621–70 имеет
10