Основные типы диэлектриков, применяемых в производстве конденсаторов

R – сопротивление, эквивалентное потерям в конденсаторе при последовательной схеме замещения, Ом.

Поляризационный ток асимптотически снижается до нуля. Когда R мало, это происходит за малый промежуток времени, и конденсатор зарядится полностью.

Если полностью  заряженный конденсатор мгновенно  разрядить и оставить его выводы на некоторое время разомкнутыми, то во всех конденсаторах с твердым диэлектриком наблюдается накопление нового заряда, так как некоторая часть первоначального заряда была «поглощена» (абсорбирована) диэлектриком. Это явление называют диэлектрической абсорбцией. Оно приводит к определенному запаздыванию во времени в процессе зарядки и разряда.

Диэлектрическая абсорбция происходит вследствие того, что на смещение связанных зарядов  в диэлектрике из их нормального  положения требуется некоторое  конечное время, так как вязкость вещества (внутреннее трение) препятствует их движению. Время установления поляризации различно для разных диэлектриков — поляризация может установиться или почти мгновенно или в течение многих часов. В одном и том же диэлектрике несколько электронов или ионов может приобрести способность к свободному перемещению после промежутка времени, исчисляемого секундами или даже сутками. Явление усложняется еще и тем, что, например, в случае бумажных пропитанных конденсаторов время установления поляризации бумаги и пропиточной массы оказывается различным.

Диэлектрическая абсорбция вызывает уменьшение емкости при повышении рабочей частоты и появление нежелательной задержки во времени в некоторых импульсных схемах или цепях, требующих быстрой смены зарядки и разряда. 
 
 
 
 
 
 
 

Ток утечки и постоянная времени конденсаторов 

При использовании  конденсатора в цепи постоянного  напряжения потери, обусловленные током  утечки, приводят к тому, что при отключения источника энергии заряд стекает с обкладок. Время, в течение которого заряд уменьшается до e (или 36,8% его начального значения), определяется произведением R_isC, где R_is — сопротивление изоляции конденсатора и С — его емкость. Если R_is выражено в мегомах, а С — в микрофарадах, то величина R_iSC — постоянная времени — будет выражена в секундах. Она может быть также выражена в МОм*мкф или Ом*ф. Конденсаторы разных типов имеют следующие характерные значения постоянной времени R_isC: 

Полистирольные  конденсаторы ...............................................    Несколько дней

Бумажные конденсаторы..........................................................    Несколько часов

Тацталовые объемно-пористые электролитические конденсаторы ….1 или 2 ч

Конденсаторы  из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью…………………………………………………………...Несколько минут

Алюминиевые электролитические  конденсаторы с нетравлеными анодами………………………………………………………...Несколько секунд 

Необходимо иметь  в виду, что при емкостях меньше 0,1 мкф постоянная времени определяется в большей степени особенностями конструкции и внешнего оформления самого конденсатора, чем качеством диэлектрика. Ток утечки увеличивается с повышением температуры (примерно экспоненциально). Для хороших диэлектриков при комнатной температуре он весьма мал, и практически его трудно измерить, но при более высоких температурах ток утечки может стать заметным даже в конденсаторах с хорошим диэлектриком. 
 
 
 

Сопротивление диэлектриков по постоянному  току 

Сопротивление диэлектрика постоянному току может  быть охарактеризовано поверхностным  удельным сопротивлением в омах или мегомах или удельным объемным сопротивлением в ом · см. Следует отметить, что сопротивление изоляции конденсаторов с хорошими диэлектриками (стекло, слюда и т. п.) может заметно уменьшиться при использовании для их конструктивного оформления материалов с пониженным удельным сопротивлением, таких, как фенольные смолы, особенно в условиях воздействия высокой влажности или температуры. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Электрическая прочность 

Электрическая прочность материала определяется величиной напряженности поля, при которой происходит пробой. Напряженность поля в киловольтах на 1 мм (или вольтах на 1 мк), при которой пробивается диэлектрик, зависит от толщины материала, температуры, частоты и формы волны испытательного напряжения, метода проведения испытания и пр. Поэтому сравнивать различные материалы в идеале следует на образцах равной толщины и в идентичных условиях измерения.

Для определения  электрической прочности к образцу, в котором сделаны углубления для того, чтобы получить возможно более однородное распределение поля, через электроды, армированные охранными кольцами, подводится постепенно повышающееся напряжение. Подготовка образцов играет весьма важную роль.

В качестве практического  предела электрической прочности материала удобно принять напряжение начала разрядов, выше которого с течением времени начинает развиваться пробой. Это напряжение обычно много ниже предельной электрической прочности при кратковременном приложении напряжения. При напряжении выше начального разрядного возникает корона и начинается прогрессирующее разрушение материала. Испытание методом определения начального напряжения разрядов имеет то преимущество, что является «неразрушающим» испытанием, поскольку корона вызывает высокочастотные колебания, которые можно наблюдать и измерять, не доводя образец до пробоя.                                                                            Электрическая прочность материала всегда уменьшается, если он работает в условиях высокой температуры или повышенной влажности. Немногие материалы полностью однородны, и обычно пробой связан с прохождением тока утечки вдоль определенного малого участка материала; этот участок нагревается, что приводит к быстрому разрушению или   к  искрению  вдоль   поверхности  и,    следовательно, к обугливанию органического материала. Неорганические материалы, такие, как стекло, керамика и слюда, обычно устойчивы против этой формы пробоя. Очень важно время приложения напряжения. Большинство диэлектриков при кратковременных воздействиях выдерживает значительно более высокие напряжения, чем при длительной работе. С увеличением частоты электрическая прочность падает, особенно при радиочастотах,  в зависимости от коэффициента мощности материала и т. п. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Влияние частоты на диэлектрики и готовые конденсаторы 

В области очень  низких и очень высоких частот наблюдается увеличение потерь, которое  практически ограничивает использование  конденсатора с любым диэлектриком. При очень низких частотах в диэлектрике  становятся заметными различные формы утечки, такие, как ток утечки на постоянном токе и долговременные поляризационные явления, которых не бывает на высоких частотах. При очень высоких частотах некоторые процессы,  связанные с поляризацией   диэлектрика,   не   успевают полностью проявиться и  поэтому вызывают потери. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Типы  конденсаторов постоянной емкости 

Важнейшие характеристики конденсатора определяются его диэлектриком. Поэтому обычно конденсаторы классифицируются по виду диэлектрика: бумага, слюда, керамика и т. д.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Бумажные пропитанные конденсаторы 

Бумажные пропитанные  конденсаторы являются изделиями широкого общего применения. Они изготовляются  намоткой из двух или более слоев  бумаги (диэлектрика), расположенных  между двумя лентами металлической фольги, и затем пропитываются. Эти конденсаторы имеют следующие характеристики (при сравнении со слюдяными конденсаторами):

1)  цена относительно  невелика;

2)  коэффициент  мощности относительно высок  (до 0,01 при 25° С и  1КГц, от 0,005 до 0,04 при —55° С, в зависимости от пропитки);

3)  удельная  емкость высока;

4) рабочее напряжение  постоянного тока среднее;

5) отклонение  емкости от номинала (начальное)  большое: возможно ±5%, обычно ±10% или больше.

Максимальное  допускаемое рабочее напряжение бумажного пропитанного конденсатора зависит от температуры окружающей среды. Срок жизни конденсатора приблизительно обратно пропорционален  пятой степени рабочего напряжения при температурах до 85° С. В спецификации приведены кривые снижения рабочего напряжения при повышении температуры для каждого варианта конструкции конденсаторов. Величина требуемого снижения напряжения изменяется в зависимости от буквенного обозначения конденсатора, которое указывает на тип пропитки, и от энергии, запасаемой конденсатором при полной зарядке. Для конденсаторов с большим запасом энергии оговариваются другие кривые снижения напряжения в зависимости от температуры.

Изучение надежности работы показало, что для конденсаторов в типичных условиях применения наблюдается пропорциональность между количеством выходов из строя и отношением приложенного напряжения к номинальному. Например, в одном из таких опытов за 5000 ч работы выход конденсаторов из строя составил 0,26% для рабочего напряжения, равного 25% U_ном и 1,6% для 100% номинального напряжения.

Для  работы  при  переменном  напряжении  бумажные пропитанные конденсаторы должны быть специально отобраны или разработаны, так как размеры корпуса (площадь его поверхности), пропитка и другие конструктивные данные влияют на выбор номинального напряжения. Допускаемая переменная составляющая для бумажного конденсатора постоянного напряжения зависит от типа пропиточной массы и от конструкции. Поэтому конденсаторы, поставляемые  разными  поставщиками,   чрезвычайно разнообразны. Постоянная времени бумажных пропитанных конденсаторов комнатной температуре (25° С) составляет от 1500 до 20 000 Мом *мкФ (в зависимости от сорта бумаги и пропиточной массы), но быстро падает при повышении температуры окружающей среды. Для маленьких цилиндрических герметизированных конденсаторов постоянная   времени   может   уменьшиться   от 20 000 Мом * мкФ при 25° С до 20 Мом *мкФ при 125° С. Это снижение обратно пропорционально величине емкости при ее значениях выше 1 мкФ. Изменение емкости с температурой в основном связано с типом пропиточной массы, причем наибольших изменений можно ожидать при низких температурах. Коэффициент мощности при 25° С и 1 КГц изменяется от 0,003 до 0,01, увеличиваясь с частотой. При напряжении 5 В и меньше или в условиях высокочастотной вибрации ударов применяется конструкция конденсаторов с выступающей фольгой, так как конструкция с вкладными  контактами требует приложения достаточно кого напряжения, чтобы переходное сопротивление тактах было малым. Бумажные опрессованные пластмассой конденсаторы хуже герметизированных типов в металлических корпусах. В условиях повышенной  влажности  сопротивление  изоляции  опрессованных конденсаторов много ниже и в процессе старения заметно ухудшается. В тех случаях, когда требуется малая емкость на землю удобно применять конденсаторы в герметизированных керамических корпусах. Хотя конденсаторы этой конструкции после 1000 ч испытаний на срок службы имеют лучшую стабильность емкости, повышенное сопротивление изоляции и меньшее изменение угла потерь, чем аналогичные конденсаторы в металлических корпусах,  применять их следует с осторожностью, так как у этой конструкции при термических ударах иногда нарушается герметичность. Испытание образцов бумажных конденсаторов на хранение в течение 2 лет показало, что при температуре 50 ± 2° С и  относительной  влажности 90—95% происходит  прогрессирующее снижение сопротивления изоляции, ухудшается угол потерь и электрическая прочность конденсаторов и снижается их напряжение перекрытия. При такой же или более низкой температуре в  сочетании   с   пониженной   относительной   влажностью характеристики также ухудшаются, но медленнее. Во всех вариантах климатических условий испытанные конденсаторы с аксиальными выводами показали наименьшее изменение характеристик.

По своему применению бумажные пропитанные конденсаторы подразделяются на следующие группы: блокировочные, буферные, шунтирующие, конденсаторы связи и фильтровые. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Металлобумажные конденсаторы 

Конструкция металлобумажных конденсаторов такова, что воздушные зазоры между бумагой и обкладками, существующие в обычных бумажных фольговых конденсаторах, полностью  исключаются. Эти конденсаторы были разработаны и освоены производстве в конце 40-х годов. В металлобумажном конденсаторе одна сторона бумаги металлизируется перед намоткой. При номинальном напряжении до 600 В такие конденсаторы имеют меньший размер, чем бумажные пропитанные конденсаторы того же номинала. Это преимущество особенно заметно при номинальных напряжениях до 100 В постоянного тока и емкостях выше 0,01 мкФ, когда уменьшение объема может достигать 75%. |

Кроме того, если при воздействии напряжения происходят пробой и короткое замыкание обкладок, то в металлобумажных конденсаторах  происходит процесс самовосстановления электрической прочности. При пробое бумаги очень тонкий слой металла быстро испаряется вокруг места пробоя, предотвращая образование постоянного короткого замыкания. Максимальное напряжение, при котором еще сохраняется самовосстановление, определяет величину испытательного напряжения. Максимальное напряжение, которое может быть кратковременно приложено к выводам конденсатора без его разрушения, называется напряжением искрения. Это максимальное напряжение следует прикладывать не более чем на несколько секунд, в противном случае непрерывное искрение быстро разрушит конденсатор.

Постоянная времени  металлобумажных конденсаторов при 25° С составляет от 250 до 2000 Мом *мкФ, т. е. обычно в 6—10 раз меньше, чем у бумажных фольговых конденсаторов, хотя некоторые вновь разработанные типы и сравнимы с фольговыми. Металлобумажные   конденсаторы   нельзя применять для емкостной связи контуров, но можно использовать в цепях развязки или сглаживания, когда основным требованием является малая величина полного сопротивления.

На  переменном токе металлобумажные конденсаторы следует использовать с осторожностью. Номинальное напряжение постоянного тока не может быть просто пересчитано на величину напряжения переменного тока. Коэффициент пересчета, принятый для конденсатора какого-либо определенного номинала, может не подойти для конденсаторов с другими размерами, другим номинальным напряжением или иным типом конструкции. Допускаемые величины напряжения переменного тока для металлобумажных и бумажных фольговых конденсаторов различны в связи с плохой теплопроводностью металлизированных секций. Амплитудное напряжение при частоте 60 или 400 Гц никогда не должно превышать величину номинального напряжения постоянного тока. Это ограничивает величину переменного напряжения при малых емкостях, но при емкости выше 10 мкФ надо уже учитывать опасность разогрева конденсатора. В этом случае предельное номинальное напряжение можно повысить, улучшив отвод тепла от пакета секций к корпусу конденсатора.