Пробой конденсатора/Электрическая прочность диэлектрика | РЕМОНТ АЙФОНОВ МОСКВА.РФ

Каждый диэлектрик не может выдерживать беспредельно большую напряженность электрического поля. Для него существует определенный предел напряженности, при которой электроны связаны со своими атомами. Если напряженность увеличить больше этого предела, то электроны начнут срываться с орбит, сталкиваться с другими электронами, выбивать их от своих атомов. Получается лавинный поток оторвавшихся электронов, в результате чего происходит местное (в виде полосы) разрушение диэлектрика. После этого диэлектрик конденсатора становится проводником, через него протекает ток проводимости, созданный потоком электронов, потерявших связь со своими атомами.

Явление возникновения тока проводимости в диэлектрике и нарушение его прочности называется пробоем диэлектрика. На возникновение пробоя влияют тепловые, а также электрохимические процессы. В месте пробоя сопротивление изоляции уменьшается до очень малой величины, возникает электрическая дуга, которая может обуглить изолирующий материал.

При этом замыкаются накоротко проводники или проводящие части аппаратов. Пробой изоляции деталей телефонных, телеграфных, радио и других установок создает повреждение, нарушающее нормальную их работу.

Максимальная напряженность электрического поля, которую может выдержать диэлектрик без пробоя, называется предельной напряженностью. Предельная напряженность обозначается Е_пр . Вместо термина «предельная напряженность» применяют также термин «электрическая прочность».

Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным. Пробивное напряжение конденсаторов зависит от его диэлектрика. Наибольшей электрической прочностью обладают керамические конденсаторы. Для надежной работы конденсатора без пробоя необходимо, чтобы напряжение, при котором он работает, было бы меньше пробивного. Номинальным или рабочим напряжением конденсатора называется напряжение между его обкладками, при котором он может длительно и надежно работать, не изменяя свои рабочие характеристики при всех установленных для него температурах.

Слово «длительно» означает не менее 5000 — 10 000 ч в зависимости от марки конденсатора.

Отношение пробивного напряжения к номинальному называется запасом прочности диэлектрика конденсатора:

n=U_проб/U_ном·

Пробой конденсатора — Справочник химика 21

    Магнето не дает искры. Главными причинами этого дефекта могут быть обрыв в первичной или вторичной цепи магнето, а также пробой конденсатора. Необходимо сменить трансформатор или конденсатор магнето. [c.132]

    При этом, очевидно, возможен случай, при котором составляющие напряжения и Ес могут быть больше напряжения питающей сети что может привести к нежелательным последствиям (повреждение изоляции обмотки индуктора, пробой конденсатора). [c.124]

    С увеличением числа слоев диэлектрика средняя пробивная напряженность будет возрастать до определенного значения, затем с увеличением числа слоев, напряженность начнет снижаться за счет усиления искажения поля у краев обкладок. Для получения максимальной величины р следует брать оптимальное число слоев диэлектрика. На кратковременную электрическую прочность большое влияние оказывает частота приложенного напряжения. У жидких и твердых диэлектриков кратковременная электрическая прочность снижается с увеличением частоты. Пробой конденсатора может произойти не только через толщину ди-  [c.339]

    Процесс старения конденсаторов характеризуется кривой жизни конденсатора (зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения). Для опытного определения этой зависимости ряд партий однотипных конденсаторов включают под напряжение при значениях напряженности Е1, 2 и т. д. и находят значения времени Т1, Тг и т. д., при которых происходит пробой конденсаторов. [c.340]

    На сопротивлении в момент пробоя создается высокое напряжение, почти равное напряжению на обкладках конденсатора. Поскольку промежуток МЭП меньше расстояния между дисками разрядника, это напряжение оказывается достаточным для его пробоя.

Электроцепь замыкается через аналитический промежуток, и конденсатор быстро разряжается через него. Легко представить, что если отключено сопротивление или нарушена электроцепь, высоковольтный трансформатор может не обеспечить пробой двух последовательно включенных промежутков напряжение окажется недостаточным для пробоя их суммарного промежутка, но будет способно пробить конденсатор. Практическая схема генератора искры для защиты от перенапряжений, возникающих в подобных случаях, имеет защитный разрядник. Он подключается к конденсатору параллельно. [c.32]

    Усилитель напряжения проверяют в последнюю очередь. Проверку начинают с измерения анодного тока всех трех каскадов, поочередно подключая в разрыв анодной цепи миллиамперметры /, // и /// (см рис. 130). Для измерений используют миллиамперметр с пределом измерения 1—2 ма. Отсутствие тока может быть из-за обрыва цепи катода или сетки лампы (при условии, что производилась проверка источников питания и электронных ламп).

Это может произойти при обрыве сопротивлений автоматического смещения / ь Яг, Яв и утечке сеток Яз и / 4. Уменьшение анодного тока связано с возрастанием сопротивлений Я1, Я2, Яь. Причиной увеличения анодного тока может быть замыкание сопротивлений 1, 2, 5, пробой конденсатора Сг (для первого каскада усиления), замыкание сопротивлений утечки сетки и замыкание сопротивлений / )о анодной нагрузки.  [c.171]

    В ректификационных колоннах, теплообменниках, конденсаторах-холодильниках, емкостях и в насосных установлены краники для периодического взятия проб. На установках АВТ, построенных ранее, воронки из-под этих краников соединялись непосредственно с канализационными колодцами, куда спускались жидкие нефтепродукты. Количество спускавшихся продуктов было весьма значительным. Для уменьшения потерь, возникающих при взятии проб, число пробных краников сокращено до минимума в связи с наличием на установках анализаторов качества воронки из-под пробных краников соединены в общую линию установлена на низкой отметке специальная емкость, к которой присоединен трубопровод от пробных краников вертикальный насос периодически подкачивает собранные продукты в сырье, поступающее на переработку.

 [c.229]

    В кислородном цехе химического комбината произошел взрыв в хвостовой части сливного коллектора. Причина взрыва — скопление в коллекторе органических примесей и подсос загрязненного воздуха через камеры забора воздуха. При перекрытии вентиля на выходе газообразного кислорода из межтрубного пространства колонны технического кислорода повысилось давление. При открывании вентиля для слива жидкого кислорода из конденсатора дополнительной колонны часть кислорода попала на органические вещества, осевшие в коллекторе. Анализ проб на содержание аце- 

[c.124]

    На одной из установок в США газовым хроматографом в пробах из конденсатора обнаружили п-бутана — [c.37]

    ОПС всех примесей (кроме ацетилена) целесообразно принять равным 0,5 ПДС и установить следующий регламент работы блоков разделения О—0,5 ПДС — нормальная работа с отбором проб через 4 ч из конденсатора, последнего по ходу жидкого кислорода 0,5- 1,0 НДС — учащение анализов (через 2 ч), увеличение проточности, переключение воздухозабора и т.

п. > 1,0 ПДС — остановка, слив жидкости, отогрев. [c.147]

    После достижения в конденсаторе 0,5 нормального уровня, но не позднее чем через 3 ч после появления в нем жидкости, должна быть отобрана проба для анализа на ацетилен. По результатам этой пробы судят о том, в каком состоянии находятся адсорберы после ремонта. Если в пробе обнаружен ацетилен в количестве более 0,04 см 1дм , то следует взять вторую пробу. Если содержание ацетилена и в этой пробе также более 0,04 см 1дм , то следует переключить адсорбер. [c.150]

    Установленный график отбора проб должен соблюдаться независимо от отбора внеочередных проб. При работе блока разделения с уровнем жидкости в конденсаторе меньше 0,75 уровня, рекомендованного инструкцией завода-изготовителя, анализы и ацетилен следует брать чаще. При содержаниях ацетилена в жидкости из куба нижней колонны менее 0,2 (0,15 ) см 1дм эксплуатация блока ведется нормально. 

[c.152]

    Колонка должна быть снабжена головкой, обеспечивающей удобный отбор проб из паровой фазы. Для этой цели пригодна обычная головка, изображенная на рис. 32. Во время опыта кран находится в закрытом положении, а проба пара отбирается путем уменьшения расхода охлаждающей БОДЫ, поступающей в конденсатор 2. Этот пар конденсируется в холодильнике 3, к которому присоеди- Р с. 32. Головка ректифи-кяе.оя пробоотборник. 

[c.109]

    I — вентиль для отбора пробы жидкости 2 — карман для термопары 3 — продувочные вентили 4 — манометр 5 — конденсатор 6 — вентиль для отбора пробы пара 7 — предохранительный клапан 5 — куб 9 — перфорированная медная трубка 10 — дренажный вентиль. [c.91]

    После кипячения в течение 2—3 час. при постоянном режиме, что гарантирует в известной степени наличие равновесия между парами и жидкостью, отбирают пробу в количестве 2,5—3,0 мл соответственно из куба и из отводной трубки конденсатора. В каждой из этих проб определяют концентрацию легколетучего компонента по коэффициенту рефракции или [c. 205]

    Вероятность попадания метеорита, способного пробить 2,Ь-мм стенку из нержавеющей стали, для поверхности, имеющей общую площадь 9,3 м , составляет 0,04 в год [101. Для уменьшения вероятности возникновения течи в конденсаторе в случае пробоя трубы можно применять трубы с развитой поверхностью оребрения, чтобы основная часть поверхности приходилась на ребра. Другой метод заключается в использовании цилиндрических конструкций, подобных конфигурации 5 (см. рис. 13.12), трубы которых снабжены отражателями (трубы типа С, см. рис. 13.12). Использование отражателей позволяет получить с тыльной стороны трубы почти столь же эффективный отвод тепла, как и с внешней. Если поверхность отражателя гладкая и блестящая, то около 75% энергии, падающей с тыльной стороны трубы и ребер, зеркально отражается в космическое пространство. Остальные 25% энергии либо поглощаются и потом излучаются вновь, либо диффузно отражаются. Из этих 25% примерно половина излучается в космическое пространство, а половина попадает на поверхность трубы. Таким образом, общая излучательная способность той части поверхности трубы и ребер, которая обращена к отражателю, составляет примерно 85% излучательной способности лицевой поверхности. Компоновки ребер могут быть различными, но наиболее удачной с точки зрения минимума суммарного веса является Т-образная конструкция, аналогичная типу С (см. рис. 13.12), по без верхнего ребра, которое оказалось малоэффективным [9J. Следует отметить, что лицевая сторона трубы должна быть толще для обеспечения защиты от метеоритов, так как поверхность, обращенная к отражателю, надежно защищена. [c.263]

    Для получения токов смещения такой величины, которая обеспечивает необходимую интенсивность теплогенерации, к контактным поверхностям нагреваемого тела с помощ,ью так называемых рабочих конденсаторов подводится такая разность потенциалов, которая, обеспечивая достаточную напряженность электрического поля в диэлектрике,-не приводит к электрическому пробою в нагреваемом материале. Для этого рабочее напряжение принимают обычно в 1,5—2 раза ниже, чем напряжение пробоя. Так как последнее зависит ет свойств материала, способа его укладки, отсутствия или величины воздушного зазора на высокой стороне конденсатора, то величина допустимого напряжения поля есть величина переменная, колеблющаяся в пределах 1—6 кВ/см. Общие соображения могут быть высказаны в отношении частоты тока. До значения 300 МГц длина волны превосходит 1 м, что обеспечивает равномерный нагрев диэлектрика вне зависимости от его теплопроводности. При дальнейшем уменьшении длины волны, если она становится соизмеримой с толщиной нагреваемого тела, будет происходить поверхностный нагрев тела и выравнивание температуры будет зависеть от теплопроводности. [c.215]

    Дефекты теплоотвода обрыв выводов короткие замыкания некачественная металлизация сколы резистивной пленки плохая адгезия и термокомпрессия пробой конденсаторов объемные дефекты полупроводнико-вого материала.  [c.334]

    Кенотрон 5ЦЗС имеет катод прямого накала, который обеспечивает большой ток эмиссии. Однако при питании аппаратуры с электронными лампами, имеющими подогревные катоды, от выпрямителя с прямонакальным кенотроном, нельзя одновременно включать все лампы, так как нить кенотрона будет прогреваться быстрее в результате выпрямитель некоторое время будет работать без нагрузки, что может привести к пробою конденсаторов фильтра. [c.82]

    Если 1В таком конденсаторе постепенно повышать напряжение и пропускать в пространство между электродами воздух, то так же, как и в примере с плоским конденсатором, вначале при прохождении воздуха сила тока будет незначительно повышаться благодаря увеличению скорости движения заряженных частичек, вошедших с воздухом. Но и в этом конденсаторе наступит такой момент, когда с повышением напряжения у по1верхности проволочки появится зона с такой высокой концентрацией силового поля (а следовательно, и скоростью движения заряженных частиц), что в этой зоне возникнет ударная ионизация. Вначале эта зона высокой концентрации будет очень мала и количество образовавшихся в результате ударной ионизации заряженных частичек будет небольшим, но по мере дальнейшего повышения напряжения она будет постепенно расширяться и в пространстве между электродами будет нарастать количество заряженных частиц. Когда зона высокой концентрации, в которой возникает ударная ионизация, займет все пространство между электродами, наступит пробой конденсатора. Как следует из сказанного выше, пробой в этом конденсаторе не совпадает с моментом возникновения ударной ионизации и количество заряженных частичек в пространстве между электродами будет возрастать постепенно, по мере расширения зоны ударной ионизации, а не мгновенно, как в плоском конденсаторе. [c.125]

    Лабораторные высокочастотные диэлекфические нафеватели (рис. 135) включают ламповые генераторы с колебательной мощностью 1 — 10 кВт и частотой тока 40 — 80 МГц. Напряженность элекфического поля не должна превышать определенного значения, иначе произойдет элекфический пробой конденсатора 1. У большинства органических веществ значение пробивного напряжения составляет (10 — 30) 10 кВ/м. [c.237]

    Измерительный прибор присоединяют к радиометру через гнезда Гн1 н Гнг, зашунтированпые резистором Яц, который предотвращает пробой конденсаторов С10С12 в случае длительного накопления на них заряда при отключенном от радиометра измерительном приборе.  [c.89]

    Пробы жидкого кислорода на анализ отбирают из пространства между наружной и внутренней обечайками, пеэтому при отсутствии достаточной циркуляции результаты анализа будут показывать содержание примесей в жидкости, поступающей в конденсатор. В то же время содержание примесей внутри трубного пучка может быть [c.10]

    На рис. 204 показана схема контроля работы колонны с применением системы обратной связи. Здесь анализируются пробы жидкости из конденсатора паров продукта верха колопны с целью контроля скорости потока продукта низа колонны. Недостаток этой системы заключается в ее инерционлюсти. [c.318]

    Проверив включение теплообменников и закрытие задвижек на обводных линиях, поднимают производительность установки по сырью и температуры на выходе из печи до указанной в технологической карте, включают конденсатор воздушного охлаждения и конденсаторы-холодильники. Затем отбирают пробы нефтепродуктов, анализ которых необходим для ведения технологического режима. Если результаты анализов соответствуют межцеховым нормам, нефтепродукты выводят в резервуар-ные парки. Вывод нефтепродуктов осуществляют при температурах, соответствующих межцеховым нормам. Только после этого приступают к выводу на режим остальных блоков. По окончании планово-предупредитель-ных ремонтов или после кратковременных остановок установку пускают в том же порядке, как описано выше, но исключают промывку аппаратов установки холодной водой и длительную холодную циркуляцию. После опрес- [c.73]

    Куб 13 охлаждают до требуемой температуры с помощью бани, заполненной смесью метанола с сухим льдом или другим хладо-агентом. Одновременно хладоагент загружают в конденсатор 4. Если по каким-либо причинам нежелательно поддерживать постоянную температуру конденсации с помощью криостата с охлаждающим рассолом, то в качестве хладоагентов можно применять жидкий воздух или азот. Затем в кубе 13 конденсируют высушенную и, при необходимости, освобожденную от СОз пробу газа. После этого вместо охлаждающей бани используют сосуд Дьюара 12. При правильной установке верхний край сосуда Дьюара должен соприкасаться с держателем штатива, поддерживающим куб. Содержимое куба 13 испаряют, как обычно, с помощью электронагревателя 11. Неперегретые пары поступают в спиральную колонну 1, изолированную посеребренным высоковакууми-рованным кожухом и дополнительно стекловолокном, Преду- [c.252]

    Пробоотборник гайкой 2 соединяют с точкой Отбора пробы при открытых вентилях 1 и 5. Легким открытием вентиля на технологическом аппарате продувают емкость 4 отбираемым газом, а затем вентиль 5 закрывают. При достижении давления по манометру 3, равного давлению в аппарате, закрывают вентили на аппарате и на пробоотборнике, после чего последний снимают. Пробоотборник на рис. 1.3 применяется, если в процессе отбора газовая проба частично конденсируется при температуре окружающей средьк Показаны два варианта сбора конденсата через металлический змеевик 1 с самостоятельным сборником (а) и портативный стеклянный конденсатор,совмещенный со сборником (б), помещаемый обычно в стакан с водой или с более йиэкотемператур-нымхладоагентом. Сосуды 5 н 6 обычно калибруют для определения объемов конденсата и газа. После окончания отбора пробы перекрывают вентиль на технологическом аппарате и зажимы. Определяют объем жидкой фазы (К к) в сосуде 5 н объем газовой фазы (Кг )1 соответствующий отобранному объему жидкой фазы, т. е. [c.9]

    Нами выполнен анализ на групповое содержание легколетучих растворимых и нерастворимых в воде веществ. Паро-газодисперсную смесь отбирали после конденсаторов и фильтра с пилотной установки. Газ просасывали с помощью аспираторов через стеклянную трубку с ватными тампонами, два дрекселя с дистиллированной водой и два дрекселя с гидроксиламином. Прошедший через дрексели газ отбирали в газовую бюретку и анализировали хроматографически. С помощью анализа не были обнаружены легколетучие кислоты, альдегиды, кетоны. Хроматографический анализ газа в бюретке дал несколько повышенное содержание диоксида углерода. По результатам анализа дисперсная фаза (белый мелкокристаллический порошок) включала до 50% дурола и до 20-25% альдегидов — производных бензальдегида. Ниже приведены заводские данные седиментационного анализа усредненной пробы ПМДА-сырца из циклонов по счетчику Культера. [c.109]

    Число теоретических тарелок можно определять также по упрощенной номограмме (рис. X. 41), составленной Бреггом [64] для смеси бензол — дихлорэтан. При помощи этой диаграммы число теоретических тарелок находится как разность значений коэффициентов рефракции или плотностей проб соответственно из колбы и конденсатора. [c.205]

    На пилотной установке непрерывного действия колонного типа (рис. 97) можно получать дорожные, строительные, кровельные и специальные битумы разных марок, изучать влияние природы сырья и параметров режима окисления на свойства битумов. Ее основные аппараты резервуары для сырья емкостью 2 л (диаметр 210 мм, высота 260 мм) трубчатый подогреватель из стальных труб длиной 1500 мм, внутренним диаметром 6 мм с электрообогревом окислительная колонна диаметром 80 мм, высотой 1000 мм с тремя боковыми отводами для отбора проб битума, ])асположепными па выоте 300, 600 и 900 мм от днища колонны напорная емкость конденсатор-холодильник для конденсации и охлаждения паров и газообразных продуктов окисления приемник для конденсата (отдува) приемник для битума (на схеме пе показан).  [c.277]

    При спектральном анализе металлов и сплавов наиболее часто в качестве источника света используют высоковольтную конденсированную искру (рис. 3.4). Повышающий трансформатор заряжает конденсатор С до напряжепия, 10—15 кВ. Значение напряжения определяется сопротивлением вспомогательного промежутка В, которое в свою очередь выбирают всегда большим сопротивления рабочего промежутка А. В момент пробоя вспомогательного промежутка одновременно происходит также и пробой рабочего промежутка. В момент пробоя конденсатор С разряжается, а затем снова заряжается. В зависимости от параметров схемы и скорости деионизации промежутка следующий пробой может произойти или в этом же, или в другом полупериоде. [c.62]

    Если анализируемая проба находится в конденсаторе колебательного контура, то говорят об измерении с помощью емкостной ячейки. На эффективную емкость такой ячейки оказывают в [ияние диэлектрическая проницаемость и электропроводность пробы, а следовательно, и резонансная частота и демпфирование колебательного контура. Таким образом, пе- ременнотоковое сопротивление — импеданс ячейки зависит от диэлектрической проницаемости и электропроводности пробы. Резонансная частота и амплитуда колебаний в колебательном контуре отражают изменение импеданса. [c.329]

    Сетевое напряжение от стабилизатора подается на потенциометр ЭПП-09 и на трансформатор выпрямителя, питающего мост детектора. Напряжение ня вторичной обмотке этого трансформатора выпрямляется селеновым мостиковым выпрямителем и сглаживается фильтром, состоящим из конденсаторов и сопротивления. На панели силового блока расположен вольтметр 6, измеряющий напряжение панели моста детектора. Синхронный двигатель аппарата КЭП-12У питается от отвода 127 в ЛАТРа. КЭП с помощью пневматических золотников управляет работой дозатора. Индикация положения дозатора (отбор пробы из баллона или ее перенос в колонку) осуществляется с помощью пневмопереключателей, контакты которых замыкаются при включении воздуха управления. При этом загораются лампы отбор пробы или разгонка .  [c.154]

---

Пробивное и рабочее напряжения конденсатора. Сопротивление утечки конденсатора

Deprecated: Non-static method Date_TimeZone::isValidID() should not be called statically, assuming $this from incompatible context in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/pear/date/Date.php on line 576

Notice: Undefined offset: 1 in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/common/common/common.class.php on line 343

Notice: Undefined offset: 1 in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/common/common/common.class.php on line 343

Deprecated: mysql_escape_string(): This function is deprecated; use mysql_real_escape_string() instead. in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/common/db/mysql.class.php on line 135

Deprecated: mysql_escape_string(): This function is deprecated; use mysql_real_escape_string() instead. in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/common/db/mysql. class.php on line 135

Deprecated: mysql_escape_string(): This function is deprecated; use mysql_real_escape_string() instead. in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/common/db/mysql.class.php on line 135

Deprecated: mysql_escape_string(): This function is deprecated; use mysql_real_escape_string() instead. in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/common/db/mysql.class.php on line 135

­Для каждого конденсатора существует предельное напряжение, до которого его можно зарядить. Если напряжение между пластинами конденсатора превысит этот предел, произойдет пробой диэлектрика, помещенного между пластинами. При пробое диэлектрика через него проскакивает искра, которая разрушает диэлектрик, обугливая его. А так как уголь является проводником, пластины конденсатора оказываются соединенными между собой и конденсатор выходит из строя. Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением конденсатора. Пробивное напряжение конденсатора зависит от свойств диэлектрика и от его толщины. Чем больше толщина диэлектрика, тем большее напряжение он может выдержать. Зависимость пробивного напряжения от свойств диэлектрика характеризуется электрической прочностью диэлектрика. Электрической прочностью называют такое напряжение, при котором происходит пробой слоя данного диэлектрика толщиной 1 мм. Электрическую прочность выражают в киловольтах на миллиметр.

Конденсаторы, в которых изолятором между пластинами является воздух, не портятся после пробоя, поэтому их часто используют в поселениях, далеко от города, примером может послужить коттеджный поселок в Подмосковье. Наибольшее напряжение, которое кратковременно выдерживает конденсатор, не пробиваясь, называется испытательным напряжением конденсатора. Под таким напряжением конденсаторы испытывают после изготовления на заводе. Испытательное напряжение иногда указывается на корпусе конденсатора. На каждом конденсаторе указывается его рабочее напряжение. Рабочим напряжением конденсатора называется такое напряжение, при котором конденсатор может длительное время надежно работать не пробиваясь. Рабочее напряжение устанавливается обычно в 2-3 раза меньше испытательного, чтобы случайные броски напряжения, которые всегда могут быть, не вывели конденсатор из строя. Пробой диэлектрика может произойти не только между пластинами конденсатора, но и между любыми двумя проводниками, если между ними действует высокое напряжение. Чем выше напряжение, тем труднее предотвратить пробой. Нашим ученым и инженерам пришлось разрешить целый ряд сложных вопросов для предотвращения пробоя изоляторов на строящихся линиях передачи электрической энергии между Куйбышевом, Сталинградом и Москвой, где напряжение будет 400 000 е. Провода будут подвешены на стальных мачтах при помощи гирлянд изоляторов длиной 6 м.

Сопротивление утечки конденсатора. Как уже упоминалось, не существует в природе таких изоляторов, которые бы совершенно не пропускали тока. Поэтому, если конденсатор зарядить, то в диэлектрике будет проходить очень малый ток, разряжающий конденсатор. Этот ток называется токомутечки. Сопротивление, которое оказывает конденсатор току утечки, называется сопротивлением утечки. Сопротивление утечки конденсатора должно иметь очень большую величину. Чем больше сопротивление утечки, тем лучше конденсатор. Обычно сопротивление утечки имеет величину в несколько сотен или даже тысяч мегом. Сопротивление утечки измеряют приборами, предназначенными для измерения больших сопротивлений. Такие приборы называются мегомметрами. ­

Наша продукция

…

Как проверить конденсатор, неисправности конденсаторов и их устранение

Рассмотрены возможные неисправности конденсаторов, способы проверки при помощи подручных средств и приборов. Как показывает практика ремонта за последние годы, наибольшее число отказов аппаратуры происходит по вине электролитических конденсаторов. При этом наблюдается снижение числа отказов по вине других компонентов.

Здесь будут перечислены основные виды неисправностей конденсаторов, и способы их выявления. Считается, что основными видами неисправностей конденсаторов являются пробой и обрыв, на самом деле их больше.

Обрыв электролитического конденсатора, снижение емкости

Обрыв характеризуется отсутствием емкости. Если номинальная емкость конденсатора (та, которая должна быть) ниже 20 мкФ, то единственным способом проверки будет измерение емкости. На этот случай желательно иметь мультиметр с функцией измерения емкости. Обычно такие мультиметры способны измерять емкость до 20 мкФ.

Пример мультиметра с измерением емкости из разряда «бюджетной цены» — DT9206A, но есть и масса других. Здесь все ясно, -измеряем емкость, прибором и делаем выводы:

Если емкости нет — конденсатор неисправен, — только выбросить. Если емкость понижена — конденсатор неисправен, и использовать его можно, но не желательно, потому что емкость может и еще снизиться.

Проверить наличие емкости электролитического конденсатора с номинальной емкостью более 20 мкФ в принципе можно с помощью любого мультиметра, на режиме измерения сопротивления. Выбираем предел измерения «200 кОм», сначала замыкаем выводы конденсатора чтобы снять возможно имеющийся в нем заряд, затем размыкаем выводы и подключаем к ним щупы мультиметра. На дисплее появится некоторая величина сопротивления, которая будет расти тем быстрее, чем меньше емкость

конденсатора, и через некоторое время достигнет «бесконечности». Это происходит потому что, в процессе зарядки емкости конденсатора ток через конденсатор снижается, а сопротивление, которое мультиметр определяет по функции обратной току, соответственно, растет. У полностью заряженного конденсатора сопротивление будет стремиться к бесконечности.

Если все именно так и происходит, значит, емкость у конденсатора имеется. Если же сразу «бесконечность» — увы, у конденсатора обрыв, и его можно только выкинуть. Измерить емкость электролитического конденсатора при помощи омметра в принципе то же можно.

Но весьма необычным способом. Кроме мультиметра для этого потребуется секундомер, лист бумаги, карандаш и большая кучка заведомо исправных конденсаторов разных емкостей.

Нужно расположить эти конденсаторы в порядке возрастания емкости и измеряя их сопротивление омметром, как написано выше, замерять секундомером сколько времени у каждого из них уходит от начала измерения до «бесконечности» сопротивления. Затем, эти данные записать в виде таблицы. При этом, не забыв указать на каком пределе измерения сопротивления данные были получены.

Теперь, чтобы определить емкость электролитического конденсатора, нужно измеряя его сопротивление мультиметром, определить секундомером сколько уйдет времени на достижение «бесконечности». А затем по этой таблице определить примерно емкость. Не забывайте перед каждым измерением разряжать конденсатор, временно замыкая его выводы.

Данный способ годится только для электролитических конденсаторов номинальной емкостью более 20 мкФ. У конденсаторов меньшей емкости процесс нарастания сопротивления до «бесконечности» будет происходить слишком быстро, — вы его просто не заметите.

Пробой электролитического конденсатора

Практически, пробой это замыкание внутри конденсатора. Классический пробой легко определяется омметром, потому что прибор либо показывает ноль сопротивления, либо некоторое небольшое сопротивление, которое не увеличивается или немного увеличивается, но не достигает «бесконечности».

Пробой можно определить и без приборов по внешнему виду конденсатора. Дело в том, что при пробое электролитического конденсатора внутри него электролит вскипает и выделяется газ. На верхушке корпуса современных электролитических конденсаторов есть крестообразные насечки, которые при избытке давления внутри конденсатора раскрываются, выбухают.

Внешне это очень заметно, особенно на фоне рядом находящихся исправных конденсаторов.

Впрочем, бывает, что пробой происходит как-то мягко, и «голову» конденсатору не разрывает. В любом случае — разрыв или выбухание насечек говорит о непригодности конденсатора, и его необходимо заменить.

Снижение максимального допустимого напряжения

Есть интересная неисправность конденсатора, при которой с ним происходит обратимый пробой, наступающий при превышении определенного напряжения на его обкладках. Обычно, максимально допустимое напряжение на обкладках конденсатора указано в его маркировке.

Но есть такая неисправность, при которой величина максимально допустимого напряжения снижается. При этом, конденсатор может казаться вполне исправным, -измеритель емкости покажет правильный результат, а сопротивление в заряженном состоянии будет «бесконечным». Но в схеме конденсатор ведет себя так, как будто он пробит.

Здесь дело именно в том, что понизилось максимально допустимое напряжение на обкладках конденсатора. И теперь конденсатор пробивает при значительно более низком напряжении. Но пробой этот обратимый, и при проверке омметром на напряжении ниже напряжения, вызывающего пробой, конденсатор кажется исправным.

Для проверки конденсатора на максимальное напряжение нужен лабораторный источник постоянного тока. Установите на его клеммах минимальное напряжение, подключите к ним испытуемый конденсатор (соблюдая полярность), и плавно увеличивайте напряжение до величины, немного ниже указанной на корпусе конденсатора.

Например, есть конденсатор, у которого на корпусе написано «40V», это значит, что пробоя при напряжении от нуля до 40V быть не должно. И вот выясняется, что уже при напряжении 25V у этого конденсатора начался пробой со всеми признаками, — увеличение тока, нагрев, вскипание… даже возможен переход лабораторного блока питания в режим защиты от короткого замыкания.

Все это говорит о том, что конденсатор не пригоден, потому что даже если вы планируете его использовать в цепи, где напряжение не более 25V, нет никакой гарантии, что его напряжение пробоя не опустится в любой момент еще ниже. Такой конденсатор будет вести себя нестабильно, — лучше его не паять в схему.

Увеличение внутреннего сопротивления конденсатора

Физически это выглядит так, как будто последовательно конденсатору подключили резистор. При увеличении данного параметра снижается пиковый ток через конденсатор при его заряде или разряде, вносится задержка в цепи, где этот конденсатор работает.

Данный параметр называется ЭПС (эквивалентное последовательное сопротивление) или в английской аббревиатуре — ESR. Для определения эквивалентного последовательного сопротивления нужен специальный прибор — измеритель ESR.

Андреев С.

Помогите решить / разобраться (Ф)

Вообще

(Оффтоп)

(поправляя фуражку прапорщика Ясненько, старшины роты капитана Очевидность)

конденсатор это устройство, накапливающее заряд при приложении напряжения. И чтобы работать не с грандиозной таблицей «при таком-то напряжении такой-то заряд», ввели понятие «ёмкость», и постановили, что она зависит от формы и материала конденсатора, но не от напряжения. Это позволяет, зная ёмкость и заряд, получать напряжение, зная ёмкость и напряжение, получать заряд, а если измерить заряд и напряжение — определить ёмкость. Постоянство ёмкости при изменении напряжения выполняется для обычных конденсаторов с высокой точностью, если напряжение не слишком велико, и ёмкость принимается постоянной. Однако есть конденсаторы, в которых ёмкость меняется при изменении напряжения (вариконды, где в качестве диэлектрика используется материал, диэлектрическая постоянная которого меняется при изменении напряжения, и варикапы, где меняется толщина обеднённого слоя p-n перехода). Они используются, как нелинейные элементы в схемах. Для основной же массы конденсаторов ёмкость в одинаковых условиях (в частности, при постоянной температуре — нагрев может влиять на характеристики диэлектрика) практически постоянна, так что если сказано «конденсатор» без уточнений — то постоянна.
Что касается задачи с переменным конденсатором, подключённым к источнику питания или не подключённым, и почему что-то при изменении ёмкости меняется, причём разное в этих двух случаях, то, поскольку за «полное решение задачи» здесь принято больно бить, и надо давать наводящие вопросы и подсказки, а также указывать на ошибки в своём решении, но не отвечать полностью, то начну с провокационного вопроса.
— Если, крутя ротор переменного конденсатора

можно поднять на нём напряжение, если он отключён от питания, или заряд, если подключён, то не получится ли Вечный Двигатель?

Но прежде чем готовиться принимать миллиарды от благодарного человечества, а также скрываться от киллеров, посланных нефтяными магнатами, можно заглянуть в ответы в конце, где сказано: «нет, нет, НЕТ!!!»
И тогда можно задуматься, откуда пришёл дополнительный заряд в одном случае и дополнительное напряжение в другом. А также кто произвёл ту энергию, которая увеличилась в конденсаторе после изменения его ёмкости.

Как проверить конденсатор | soundbass

При конструировании и ремонте электронной техники часто возникает необходимость в проверке радиоэлементов, в том числе и конденсаторов. О том, как с достоверной точностью проверить исправность конденсаторов перед их использованием и пойдёт речь.

Самым доступным и распространённым прибором, с помощью которого можно проверить практически любой конденсатор, является цифровой мультиметр, включенный в режим омметра.

Наиболее важным является проверка конденсатора на пробой.

Пробой конденсатора – это неисправность, связанная с изменением сопротивления диэлектрика между обкладками конденсатора вследствие превышения допустимого рабочего напряжения на обкладках конденсатора.

При значительном превышении рабочего напряжения на конденсаторе, между его обкладками происходит электрический пробой. На корпусе пробитых конденсаторов можно обнаружить потемнения, вздутия, тёмные пятна и другие внешние признаки неисправности элемента.

Поскольку конденсатор не пропускает постоянный ток, то сопротивление между его выводами (обкладками) должно быть очень большим и ограничиваться лишь так называемым сопротивлением утечки. В реальных конденсаторах диэлектрик, несмотря на то, что он является, по сути, изолятором, пропускает незначительный ток. Этот ток для исправного конденсатора очень мал и не учитывается. Он называется током утечки.

Проверка конденсаторов с помощью омметра

Данный способ подходит для проверки неполярных конденсаторов. В неполярных конденсаторах, в которых диэлектриком является слюда, керамика, бумага, стекло, воздух, сопротивление утечки бесконечно большое и если измерить сопротивление между выводами такого конденсатора цифровым мультиметром, то прибор зафиксирует бесконечно большое сопротивление.

Обычно, если у конденсатора присутствует электрический пробой, то сопротивление между его обкладками составляет довольно малую величину – несколько единиц или десятки Ом. Пробитый конденсатор, по сути, является обычным проводником.

На практике проверить на пробой любой неполярный конденсатор можно так:

Переключаем цифровой мультиметр в режим измерения сопротивления и устанавливаем самый большой из возможных пределов измерения сопротивления. Для цифровых мультитестеров серий DT-83x, MAS83x, M83x это будет предел 2M (2000k), то бишь, 2 Мегаома.

Далее подключаем измерительные щупы к выводам проверяемого конденсатора. При исправном конденсаторе прибор не покажет никакого значения и на дисплее засветиться единичка. Это свидетельствует о том, что сопротивление утечки конденсатора более 2 Мегаом. Этого достаточно, чтобы в большинстве случаев судить об исправности конденсатора. Если цифровой мультиметр чётко зафиксирует какое-либо сопротивление, меньшее 2 Мегаом, то, скорее всего, конденсатор неисправен.

Следует учесть, что держаться обеими руками выводов и щупов мультиметра при измерении нельзя. Так как в таком случае прибор зафиксирует сопротивление Вашего тела, а не сопротивление утечки конденсатора. Поскольку сопротивление тела человека меньше сопротивления утечки, то ток потечёт по пути наименьшего сопротивления, то есть через ваше тело по пути рука – рука. Поэтому не стоит забывать о правилах при проведении измерения сопротивления.

Проверка полярных электролитических конденсаторов с помощью омметра несколько отличается от проверки неполярных.

Сопротивление утечки полярных конденсаторов обычно составляет не менее 100 килоОм. Для более качественных полярных конденсаторов это значение не менее 1 Мегаом. При проверке таких конденсаторов омметром следует сначала разрядить конденсатор, замкнув выводы накоротко.

Далее необходимо установить предел измерения сопротивления не ниже 100 килоОм. Для упомянутых выше конденсаторов это будет предел 200k (200.000 Ом). Далее соблюдая полярность подключения щупов, измеряют сопротивление утечки конденсатора. Так как электролитические конденсаторы имеют довольно высокую емкость, то при проверке конденсатор начнёт заряжаться. Этот процесс занимает несколько секунд, в течение которых сопротивление на цифровом дисплее будет расти, и будет расти до тех пор, пока конденсатор не зарядится. Если значение измеряемого сопротивления перевалило за 100 килоОм, то в большинстве случаев можно с достаточной уверенностью судить об исправности конденсатора.

Ранее, когда среди радиолюбителей были распространены стрелочные омметры, проверка конденсаторов проводилась аналогичным образом. При этом конденсатор заряжался от батареи омметра и сопротивление, показываемое стрелочным прибором росло, в конечном итоге достигая значения сопротивления утечки.

По скорости отклонения стрелки измерительного прибора от нуля и до конечного значения оценивали емкость электролитического конденсатора. Чем дольше проходила зарядка (дольше отклонялась стрелка прибора), тем соответственно, была больше ёмкость конденсатора. Для конденсаторов с небольшой ёмкостью (1 – 100 мкф) стрелка измерительного прибора отклонялась достаточно быстро, что свидетельствовало о небольшой ёмкости конденсатора, а вот при проверке конденсаторов с большой ёмкостью (1000 мкф и более), стрелка отклонялась значительно медленнее.

Проверка конденсаторов с помощью омметра является косвенным методом. Более точную и правдивую оценку об исправности конденсатора и его параметрах позволяет получить мультиметр с возможностью измерения ёмкости конденсатора.

При проверке электролитических конденсаторов необходимо перед проведением измерения ёмкости полностью разрядить проверяемый конденсатор. Особенно этого правила стоит придерживаться при проверке полярных конденсаторов, имеющих большую ёмкость и высокое рабочее напряжение. Если этого не сделать, то можно испортить измерительный прибор.

Например, часто приходиться проверять исправность конденсаторов, которые выполняют роль фильтрующих, и применяются в импульсных блоках питания. Их ёмкость и рабочее напряжение достаточно велики и при неполном разряде могут привести к порче измерительного прибора.

Поэтому такие конденсаторы перед проверкой следует разрядить, закоротив выводы накоротко (для низковольтных конденсаторов с малой ёмкостью), либо подсоединив к выводам резистор, сопротивлением 5-10 килоОм (для высоковольтных конденсаторов).

При проведении данной операции не стоит касаться руками выводов конденсатора, иначе можно получить неприятный удар током при разряде обкладок. При закорачивании выводов заряженного электролитического конденсатора проскакивает искра. Чтобы исключить появление искры, выводы высоковольтных конденсаторов и закорачивают через резистор.

Одной из существенных неисправностей электролитических конденсаторов является частичная потеря ёмкости, вызванная повышенной утечкой. В таких случаях ёмкость конденсатора заметно меньше, чем указанная на корпусе. Определить такую неисправность при помощи омметра довольно сложно. Для точного обнаружения такой неисправности, как потеря ёмкости потребуется измеритель ёмкости, который есть не в каждом мультиметре.

Также с помощью омметра трудно обнаружить такую неисправность конденсатора как обрыв. При обрыве конденсатор электрически представляет собой два изолированных проводника не имеющих никакой ёмкости.

Для полярных электролитических конденсатором косвенным признаком обрыва может служить отсутствие изменения показаний на дисплее мультиметра при замере сопротивления. Для неполярных конденсаторов малой ёмкости обнаружить обрыв практически невозможно, поскольку исправный конденсатор также имеет очень высокое сопротивление.

Обнаружить обрыв в конденсаторе возможно лишь с помощью приборов для измерения ёмкости конденсатора.

На практике обрыв в конденсаторах встречается довольно редко, в основном при механических повреждениях. Куда чаще при ремонте аппаратуры приходиться заменять конденсаторы, имеющие электрический пробой либо частичную потерю ёмкости.
Например, люминесцентные компактные лампы частенько выходят из строя по причине электрического пробоя конденсаторов в электронной схеме преобразователя.

Причиной неисправности телевизора может служить потеря ёмкости электролитического конденсатора в схеме источника питания.

Потеря ёмкости электролитическими конденсаторами легко обнаруживается при замере ёмкости таких конденсаторов с помощью мультиметров с функцией измерения ёмкости. К таким мультиметрам относиться мультиметр Victor VC9805A+, который имеет 5 пределов измерения ёмкости:

20 нФ (20nF)
200 нФ (200nF)
2 мкФ (2uF)
20 мкФ (20uF)
200 мкФ (200uF)

Данный прибор способен измерять ёмкость в диапазоне от 20 нанофарад (20 нФ) до 200 микрофарад (мкФ). Как видно, с помощью этого прибора есть возможность замерить ёмкость, как обычных неполярных конденсаторов, так и полярных электролитических. Правда, максимальный предел измерения ограничен значением в 200 микрофарад (мкФ).

Измерительные щупы прибора подключаются к гнёздам измерения ёмкости (обозначается как Cx). При этом нужно соблюдать полярность подключения щупов. Как уже упоминалось, перед измерением ёмкости следует в обязательном порядке полностью разрядить проверяемый конденсатор. Несоблюдение этого правила может привести к порче прибора.

Неисправность конденсатора можно определить при внешнем осмотре, например, корпус электролитических конденсаторов имеет разрыв насечки в верхней части корпуса. Это свидетельствует о том, что на конденсатор действовало завышенное напряжение, вследствие чего и произошёл, так называемый «взрыв” конденсатора. Корпуса неполярных конденсаторов при значительном превышении рабочего напряжения имеют свойство раскалываться, на поверхности образуются расколы и трещины.

Такие дефекты конденсаторов появляются, например, при воздействии мощного электрического разряда на электронный прибор во время грозовых разрядов и сильных скачков напряжения электроосветительной сети.

Источник: go-radio.ru

§7. Устройство конденсаторов. — Начало. Основы. — Справочник

§7. Устройство конденсаторов.    В зависимости от типа диэлектрика, разделяющего обкладки, конденсаторы бывают бумажные, слюдяные, керамические, электролитические и воздушные. В бумажных конденсаторах обкладками являются полосы алюминиевой или свинцовой фольги, а диэлектриком служит специальная (конденсаторная) тонкая бумага, пропитанная парафином или минеральным маслом. Полосы фольги вместе с разделяющей их бумагой сворачивают в рулон и после пропитки устанавливают в металлический герметизированный корпус.     В слюдяных конденсаторах между полосами металлической фольги, являющимися обкладками, помещают тонкие пластины слюды. Полосы фольги соединяют через одну, образуя несколько плоских конденсаторов, и в собранном виде запрессовывают в пластмассу, что делает конденсатор неподверженным влиянию окружающей среды.     В керамических конденсаторах диэлектриком служит керамика, на которую нанося металлические обкладки.     В электролитических конденсаторах между обкладками из алюминиевой фольги помещают фильтрованную бумагу или материю, пропитанную электролитом. Обкладки вместе с изолирующими прокладками сворачивают в плотный рулон и помещают в алюминиевый корпус, который после сборки конденсатора заливают смолой и закрывают изоляционной крышкой. В процессе изготовления конденсатора, через него пропускают постоянный ток, подключая обкладки к источнику энергии. В результате электролиза полоса фольги, соединенная с положительным полюсом источника, окисляется и покрывается тонким слоем окиси алюминия, служащей диэлектриком. Положительным полюсом конденсатора является вывод от фольги, покрытый пленкой окиси алюминия. Этот вывод делают через верхнюю изоляционную крышку и обозначают знаком «плюс». Отрицательным полюсом «минус» служит корпус, соединенный внутри с фольгой, не покрытой слоем окиси алюминия.     При использовании электролитических конденсаторов в схемах, включение их должно быть выполнено со строгим соблюдением полярности. Если электролитический конденсатор окажется включенным неправильно и на корпусе его будет положительный потенциал, то вновь начнется электролиз, вследствие которого фольга, соединенная с корпусом, будет окисляться, а первоначальная пленка окиси – разрушаться, что приведет к пробою конденсатора и короткому замыканию цепи. Таким образом, электролитический конденсатор не может быть использован в цепи переменного тока. Область его применения ограничена цепями, где неизменный по направлению ток – постоянный или пульсирующий с небольшими отклонениями от постоянной составляющей (до 10-15%).      Достоинством электролитических конденсаторов является большая емкость при малых габаритах, что объясняется малой толщиной пленки окиси алюминия, служащей диэлектриком. Однако, емкость электролитического конденсатора в сильной степени зависит от напряжения и температуры – к увеличению вязкости и сопротивления электролита. При очень низких температурах электролит замерзает и конденсатор может выйти из строя. В процессе работы конденсатора электролит со временем высыхает и емкость конденсатора также уменьшается.     В радиотехнике часто требуется изменить емкость конденсатора, для чего применяют конденсаторы переменной емкости и подстроечные конденсаторы. Такой конденсатор имеет неподвижную (статор) и подвижную (ротор) системы пластин. Основание пластин изготовлено из керамики, а на низ нанесен слой серебра. Поворотом винта перемещают ротор и тем самым изменяют емкость конденсатора.     После заряда конденсатор определенное время сохраняет запасенную энергию и напряжение на нем остается почти неизменным. Однако при длительном хранении конденсатор окажется полностью разряженным. Это явление называется саморазряом конденсатора. Оно объясняется тем, что любой диэлектрик – не идеальный изолятор и содержит небольшое количество свободных электронов. Поэтому под действием разности потенциалов заряды переносятся с одной обкладки на другую при разомкнутых зажимах конденсатора, т. е. появляется ток через диэлектрик, называемый током утечки. Ток утечки обычно очень мал и зависит от напряжения, температуры и влажности, с увеличением которых он возрастает.     Если напряжение на обкладках конденсатора непрерывно повышать, то ток утечки будет возрастать, и при определенной величине напряжения диэлектрик разрушится, т. е. произойдет пробой конденсатора. Напряжение, при котором происходит пробой конденсатора, называется напряжением пробоя Uпр и определяет электрическую прочность конденсатора.     На каждом конденсаторе указывается его рабочее и испытательное напряжения. Рабочим называется такое наибольшее напряжение, при котором конденсатор может работать длительное время, не подвергаясь опасности пробоя. Испытательное напряжение в 2-3 раза больше рабочего и представляет собой наибольшее напряжение, которое выдерживает конденсатор в течении 1 мин при испытании.

Энциклопедия электрохимии — Электролитические конденсаторы

Вернуться к: Домашняя страница энциклопедии — Содержание — Именной указатель — Предметный указатель — Поиск — Словарь — Домашняя страница ESTIR — Домашняя страница ECS КОНДЕНСАТОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ Сэм Парлер Cornell Dubilier Electronics, Inc. 140 Technology Place Liberty, SC 29657, USA Электронная почта: [email protected] (март 2005 г.) Фиг.1. Заряды Q на аноде и катоде индуцируют заряды Q на диэлектрике. Конденсаторы не только заряжают, но и накапливают энергию. Эти заряды обычно хранятся на проводящих пластинах: положительно заряженной пластине, называемой анодом, и отрицательно заряженной пластине, называемой катодом (рис. 1). Чтобы заряды были разделены, среда между анодом и катодом, называемая диэлектриком , должна быть непроводящей — это электрический изолятор. Анод и катод сконфигурированы таким образом, что между ними происходит очень небольшое движение, когда они заряжаются, и сила, действующая на диэлектрик, увеличивается.По мере увеличения накопленного заряда электрическое поле на диэлектрике увеличивается. В этой ситуации возникает напряжение, которое увеличивается пропорционально заряду. Отношение величины заряда на каждой пластине к электрическому потенциалу (напряжению) между пластинами называется емкостью. Энергия, запасенная в конденсаторе, — это энергия, необходимая для перемещения накопленного заряда через потенциал конденсатора. Емкость устройства в основном зависит от геометрии пластины и природы диэлектрика.Она прямо пропорциональна «диэлектрической проницаемости» (таблица I) и обратно пропорциональна толщине диэлектрика. См. Приложение для более подробной информации. По мере увеличения заряда и напряжения на данном конденсаторе в какой-то момент диэлектрик больше не сможет изолировать заряды друг от друга. Затем диэлектрик демонстрирует пробой диэлектрика или высокую проводимость в некоторых областях, что приводит к снижению накопленной энергии и заряда, генерируя внутреннее тепло.Это явление, нежелательное для большинства конденсаторных применений, возникает при напряжении пробоя конденсатора. В таких ситуациях может произойти повреждение или разрушение конденсатора. Обычно характеристики пробоя диэлектриков выражаются как максимальная напряженность поля, которая в основном представляет собой отношение приложенного напряжения к толщине диэлектрика. Массовая плотность энергии конденсатора — это отношение количества энергии, которое конденсатор может хранить при рабочем напряжении, к массе конденсатора, включая корпус.Рабочее напряжение конденсатора определяется как максимальное номинальное напряжение для данного приложения. Рабочее напряжение обычно меньше напряжения пробоя. Исключение из этого правила может иметь место, если переходное пиковое напряжение может превышать установившееся напряжение пробоя. Объемная плотность энергии конденсатора определяется как отношение запасенной энергии к объему конденсатора, включая корпус. Первый конденсатор был изобретен в 1745 году Питером ван Мушенбруком, физиком и математиком из Лейдена, Нидерланды (и назывался Leyden jar ).Это была простая стеклянная банка, покрытая изнутри и снаружи металлической фольгой. Уильям Дубилье изобрел слюдяной конденсатор примерно в 1910 году. Конденсаторы электролитические Электролитические конденсаторы — это конденсаторы, в которых одна или обе «пластины» представляют собой неметаллическое проводящее вещество, электролит. Электролиты имеют более низкую проводимость, чем металлы, поэтому используются в конденсаторах только тогда, когда металлическая пластина нецелесообразна, например, когда поверхность диэлектрика является хрупкой или шероховатой по форме или когда требуется ионный ток для поддержания диэлектрической целостности.Диэлектрический материал электролитических конденсаторов производится из самого анодного металла в так называемом процессе формовки (или анодирования . Во время этого процесса ток течет от анодного металла, который должен быть вентильным металлом, таким как алюминий, ниобий, тантал, титан или кремний — через проводящую ванну со специальным формирующим электролитом к катоду ванны. Протекание тока заставляет изолирующий оксид металла вырастать из и в поверхность анода. Толщина, структура и состав анода. изоляционный слой определяет его электрическую прочность.Приложенный потенциал между анодным металлом и катодом ванны должен быть выше напряжения пробоя оксида, прежде чем будет протекать значительный ток. По мере протекания тока прочность пробоя (сформированное напряжение) и толщина оксида увеличиваются. См. Рисунок 2 для сравнения электростатических (классических) и электролитических конденсаторов. «Электролитические конденсаторы» сильно отличаются от «электрохимических конденсаторов » (также называемых ультраконденсаторами), работа которых основана на емкости двойного электрического слоя, и не следует путать с ними. Рис. 2. Сравнение электростатических и электролитических конденсаторов. Реакцию электролиза исследовал Майкл Фарадей в 1700-х годах. Было обнаружено, что существует взаимосвязь между потоком заряда через систему и количеством продукта (в данном случае оксида металла). Фарадей отметил взаимосвязь между грамм-эквивалентами продукта и переносом заряда для всех идеальных (стехиометрических) реакций электролиза в том, что теперь известно как закон Фарадея.Отклонения от этой взаимосвязи существуют для процесса образования оксидов на анодных металлах, поскольку некоторые оксиды могут быть выращены химически и термически для снижения потребности в электроэнергии в процессе формирования, что может стоить несколько долларов за килограмм произведенного анода. Также могут иметь место некоторые нежелательные побочные реакции во время процесса образования, которые не способствуют образованию оксидов. В процессе формирования хрупкий оксид металла нарастает на металлической фольге, которая обычно имеет шероховатую форму.Таким образом, анодный металл находится в тесном контакте с одной стороной оксидного диэлектрика. Электролит используется для обеспечения контакта между другой стороной оксида и катодной пластиной. Преимуществом электролитических конденсаторов является высокая емкость на единицу объема и на единицу стоимости. Высокая емкость возникает из-за высокой диэлектрической проницаемости, высокой напряженности поля пробоя, шероховатости поверхности и чрезвычайно малой однородной толщины анодно сформированного металлического оксида. Причина, по которой электролитические конденсаторы имеют такое равномерное напряжение диэлектрика и могут работать при такой высокой напряженности поля, в пределах 80% от их пробивной силы, порядка 1000 вольт / мкм, объясняется двумя причинами.Во-первых, исходный процесс анодирования («формирование») выполняется при фиксированном напряжении, и диэлектрик повсюду растет до любой толщины, необходимой для поддержания этого напряжения. Во-вторых, как только фольга оказывается в конденсаторе, конденсатор «заполняет» электролит, продолжая работу по восстановлению исходного электролита, при необходимости восстанавливая и увеличивая толщину диэлектрика на месте. Этот процесс восстановления управляется постоянным током утечки конденсатора, который возникает всякий раз, когда на конденсатор подается постоянное напряжение, то есть всякий раз, когда он находится в работе.Фактически, электролитические конденсаторы часто служат дольше, когда они находятся в непрерывном, щадящем использовании, чем когда они заряжаются лишь на короткое время каждый год или десятилетие. Недостатком электролитических конденсаторов являются неидеальные характеристики потерь, которые возникают из-за свойств полупроводникового оксида, эффекты двойного слоя из области зарядового пространства электролита-оксида, резистивные потери из-за высокого удельного сопротивления электролита, спад частотной характеристики из-за шероховатости поверхностного оксида и конечный срок службы конденсатора из-за пробоя и деградации электролита.Некоторые из этих соображений будут рассмотрены ниже более подробно с точки зрения алюминиевого электролитического конденсатора. Кроме того, диэлектрик из анодного оксида полярен, как и электролитические конденсаторы (в отличие от классических электростатических конденсаторов), то есть конденсаторы должны быть подключены с соблюдением полярности, как указано на маркировке. Соединение с обратным напряжением легко вводит ионы водорода через оксид, вызывая высокую электропроводность, нагрев и восстановление анодной оксидной пленки.Неполярные (или биполярные) устройства могут быть изготовлены с использованием двух анодов вместо анода и катода, или можно соединить положительные или отрицательные стороны двух идентичных устройств вместе, тогда два других терминала будут образовывать неполярный устройство. Большинство электролитических конденсаторов построено с использованием алюминиевых электродов, но также используются тантал и ниобий. Алюминиевый анод самый дешевый — 0,04 доллара за грамм. Таким образом, он используется в больших (даже больше одного литра!) И маленьких (крошечных поверхностных) конденсаторах.Танталовый анодный материал стоит более 2,00 долларов за грамм, но обеспечивает высокую стабильность, большую емкость (в четыре раза больше, чем у алюминия), более низкое сопротивление (до 90% ниже) на размер. Он доступен в виде небольших блоков (обычно менее 5 см 3 ) и для поверхностного монтажа. Анодный порошок ниобия стоит менее 1 доллара за грамм, намного дешевле и доступнее, чем тантал, но все же намного дороже, чем алюминий. Емкость намного больше, чем у алюминия, почти у тантала. Это гораздо более новая технология, чем тантал. H.O. Зигмунд изобрел электролитический конденсатор в 1921 году. Юлиус Лилиенфельд много сделал для развития электролитической теории в 1920-х и 1930-х годах. Cornell Dubilier в то время была крупнейшей в мире компанией по производству конденсаторов и много сделала для развития технологий травления и анодирования. Детали конструкции мокрого алюминиевого электролитического конденсатора Производственный процесс Рис. 3. Конструкция электролитического конденсатора. Алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из анодной и катодной пластин, разделенных абсорбирующей прокладкой. Как показано на Рисунке 3, к анодной и катодной пластинам прикреплены металлические выступы, и сборка намотана в цилиндрическую секцию. Выступы приварены к алюминиевым клеммам, установленным в коллекторе (вверху). Узел секция-коллектор погружается в ванну с горячим конденсаторным электролитом (существенно отличающимся от электролита процесса образования). В так называемом процессе пропитки к электролиту и секциям прикладывается вакуум, в результате чего электролит втягивается в секции, тщательно смачивая секции.Секции помещаются в алюминиевые банки, а коллекторы привариваются к банкам. Конденсаторные блоки медленно доводятся до максимального номинального напряжения при максимальной номинальной температуре во время процесса старения . В процессе старения оксид растет на участках анодной фольги, которые имеют недостаточный оксидный барьер, например на краях щелей и местах, которые были потрескались во время операции наматывания. Проверки и испытания происходят на нескольких этапах производственного процесса. Анод Рис.4. Сканирующий электронный микроскоп, вид сбоку листа с туннелями из оксида после растворения окружающего алюминия (вверху) и более близкий вид некоторых туннелей из оксида (внизу). Анод может быть изготовлен из алюминия различной чистоты, но для высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов с высокой плотностью энергии анод обычно состоит из алюминиевой фольги высокой кубичности с чистотой 99,99% и толщиной около 100 микрометров. Термин «высокая кубичность» относится к структуре зерен алюминия с прямоугольной ориентацией, которая намеренно создается в фольге.Анодная фольга обычно изготавливается в рулонах массой 270 кг и шириной 48 см. Первый производственный процесс, которому подвергается эта фольга, называется травлением, которое электрохимически делает поверхность фольги шероховатой, в результате чего полые туннели врастают в алюминий. Благодаря прямоугольной ориентации зерен алюминия протравленные туннели образуются вдоль параллельных путей, которые в основном перпендикулярны верхней поверхности алюминия. Процесс травления значительно увеличивает соотношение микроскопической и макроскопической площади поверхности, называемое «усилением фольги», которое может достигать шестидесяти для высоковольтной алюминиевой электролитической анодной фольги и даже выше для низковольтной фольги.Фольга получается в результате травления значительно легче, чем в процессе травления. Следующий процесс, который проходит рулон фольги, называется процессом формирования. Оксид алюминия выращивают на полых туннелях и в них, которые были вытравлены в алюминии в процессе травления. На рис. 4 показан вид сбоку листа туннелей из оксида после растворения окружающего алюминия, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа, и более близкое изображение некоторых туннелей из оксида. Обратите внимание, что внутренний диаметр этого оксидного туннеля на 550 вольт составляет около четверти микрометра, а толщина стенки — чуть больше половины микрометра.Обычно отношение толщины оксида к напряжению образования оксида составляет около 1,0 нанометра на вольт. Это соотношение несколько меняется в зависимости от структуры оксида. В зависимости от состава пластового электролита, плотности тока и других производственных параметров структура оксида алюминия может быть аморфной, кристаллической, водной или некоторой комбинацией этих структур. Рис. 5. Поперечное сечение анодного туннеля до (слева) и после (справа) процесса образования оксида. Для достижения хороших результатов процессы травления и формовки должны быть совместимы. На рис. 5 показано поперечное сечение туннеля в анодном алюминии до и после формовки. Обратите внимание, что взаимосвязь между диаметром протравленного туннеля и напряжением (толщиной) пласта важна. Поскольку оксид растет как внутрь, так и наружу в туннеле, если диаметр травления слишком мал, туннель может забиться или полностью заполниться оксидом алюминия во время процесса формирования, таким образом, мало влияя на емкость фольги, поскольку электролит не может контактировать с внутри туннеля.Если диаметр туннеля слишком велик, оптимальная емкость не может быть реализована из-за нерационального использования пространства. Комбинация процессов травления и формования определяет напряжение формирования «V f » и коэффициент усиления полученной фольги. Коэффициент усиления определяется как емкость на единицу макроскопической площади полученной фольги, деленная на емкость на единицу площади нетравленой фольги с тем же напряжением формирования. В алюминиевых электролитических конденсаторах с высокой плотностью энергии используется фольга с высоким коэффициентом усиления.Здесь можно отметить, что напряженность поля пробоя 1 В на 1,0 нм намного выше, чем для полимерных пленок. Значение «k» 8,5 для оксида алюминия также примерно в три раза больше, чем для большинства пленочных диэлектриков (см. Таблицу I). Однако оксид алюминия в несколько раз плотнее полимерных пленок. Катод Катодная алюминиевая фольга обычно тоньше анода и должна иметь гораздо более высокую емкость, чем анод, поскольку емкость катода появляется последовательно с емкостью анода, чтобы получить общую емкость (см. Приложение).Для данной емкости анода максимальная общая емкость возникает, когда емкость катода настолько велика, насколько это возможно. Высокая катодная емкость требует очень низкого напряжения формирования катода. Обычно катод вообще не формируется, но всегда есть тонкий слой (около 2-3 нм) закиси водорода на поверхности алюминия, если он не пассивирован, а двойной электрический слой также имеет большую емкость. Тонкий слой закиси водорода легко образуется на алюминии при контакте с атмосферным воздухом.Пассивация катодной фольги титаном была предпринята в последние годы, чтобы предложить катод с емкостью, приближающейся к 200 мкФ / см 2 . Такая высокая катодная емкость необходима только для низковольтных конденсаторов с анодами с высоким коэффициентом усиления. Обычно емкость катода в пятьдесят раз превышает емкость анода. В этом случае общая емкость всего на 2% меньше емкости анода. Для разрядного конденсатора заряд на анодной пластине должен нейтрализоваться противоположным зарядом на катодной пластине, что требует, чтобы катод был способен накапливать заряд, превышающий или равный заряду анода.Другими словами, произведение емкости и формирующего напряжения для катода должно быть больше, чем для анода. Это требование обычно выполняется автоматически, так как способность накапливания заряда формованной фольги максимальна при низком напряжении формирования. Для катода используется тонкая фольга с протравленной поверхностью, которая дает частотную характеристику, как правило, лучше, чем у анода, и дает достаточно большую емкость, чтобы общая единичная емкость не уменьшалась. Поскольку допустимое напряжение катода обычно составляет всего около одного вольт, электролитический конденсаторный блок ограничен в своем установившемся обратном напряжении примерно до одного вольт.Было обнаружено, что в некоторых случаях переходные обратные напряжения, превышающие 100 вольт, могут появляться на конденсаторе в течение примерно одной миллисекунды без вредных последствий в течение тысяч циклов; однако неясно, каков фактический катодный потенциал в этих случаях. Известно, что увеличенное обратное напряжение в течение коротких интервалов времени, равных одной секунде, может вызвать значительный нагрев электролита и оксида анода. Ток, потребляемый во время этих обратных напряжений, может легко достигать сотен ампер постоянного тока.Электролитические конденсаторы могут быть сконструированы со сформированными катодами, чтобы обеспечить реверсирование напряжения без повреждений. Недостатками такой конструкции являются уменьшенная общая емкость, поскольку анод и катод включены последовательно; и уменьшенная плотность энергии из-за уменьшенной емкости и увеличения массы более тяжелого сформированного катода. Сепаратор Сепаратор или прокладка представляет собой абсорбирующий материал в форме рулона, который наматывают между анодом и катодом для предотвращения контакта фольги друг с другом.Прокладка обычно изготавливается из бумаги, которая может быть разных типов, плотности и толщины, в зависимости от требований к напряжению и эффективному последовательному сопротивлению. Помимо разделения анода и катода, распорка должна впитывать и удерживать электролит между пластинами. Сопротивление комбинации разделитель-электролит значительно больше, чем можно было бы объяснить ее геометрией и удельным сопротивлением абсорбированного электролита. Комбинация электролита и прокладки также влияет на емкость конденсатора. частотный отклик. Электролит Основное назначение электролита — служить «пластиной» на внешней поверхности оксида анода, а также соединяться с катодной пластиной. Электролит представляет собой жидкий органический растворитель с высоким удельным сопротивлением, высокой диэлектрической проницаемостью и высокой диэлектрической прочностью с одним или несколькими растворенными ионно-проводящими растворенными веществами. Второстепенное назначение электролита состоит в том, чтобы отремонтировать, залечить или изолировать участки дефектов в анодном оксиде алюминия во время приложения напряжения между анодом и катодом. Вкладки Выступы представляют собой полосы алюминия, которые контактируют между токопроводящими пластинами и соединительными клеммами в коллекторе. К каждой пластине может быть подключено несколько язычков. Каждый выступ либо сварен методом холодной сварки, либо приклеен по всей ширине анодной и катодной фольги. Пути вывода обычно проходят от секции конденсатора к выводам таким образом, чтобы поддерживать низкую индуктивность и предотвращать контакт выводов противоположной полярности друг с другом или корпусом во время движения и вибрации конденсаторного блока.Выступы приварены точечной сваркой к нижней стороне клемм в сборке коллектора. Материал вкладки не травится, а формируется под высоким напряжением перед сборкой в ​​конденсатор. Оптимальным размещением язычка вдоль фольги считается такое размещение, которое сводит к минимуму потери мощности из-за сопротивления металлической фольги. Этот оптимум приводит к равному расстоянию от каждого выступа до ближайшего к нему, а половина расстояния между язычками обеспечивается между крайними выступами и концами фольги. Для высоковольтных конденсаторов сопротивление выводов и сопротивление металлической фольги довольно мало по сравнению с сопротивлением оксида и электролита. Упаковка Рис. 6. Схема блока конденсаторов. Рис. 7. Некоторые электролитические конденсаторы. Корпус, в который помещается конденсаторная секция, изготовлен из алюминия из сплава 1100, чистота которого составляет около 99% (см. Рисунок 6). Для конденсаторов диаметром от 25 до 50 мм (от одного до двух дюймов) толщина стенки равна 0.022 дюйма. Прокладка из бутилкаучука помещается на верхнюю часть коллектора перед операцией прядения, при этом отверстие корпуса загибается и вдавливается в прокладку, образуя эффективное уплотнение системы. Корпус имеет тот же потенциал, что и электролит и катод во время работы конденсатора, поэтому при последовательном подключении электролитических конденсаторов необходимо соблюдать осторожность, чтобы изолировать корпуса друг от друга. Хотя корпус алюминиевого электролитического конденсатора находится под потенциалом катода, его нельзя использовать для отрицательного электрического соединения из-за высокого удельного сопротивления электролита и длинного эффективного пути от катода до емкости.Если бы у электролита было гораздо более низкое удельное сопротивление, можно было бы отказаться от катода и использовать вместо него баллончик. В конденсаторах предусмотрен предохранительный клапан, чтобы конденсатор мог контролируемым образом сбрасывать избыточное давление. Это явление называется сбросом и считается режимом отказа. Вентиляционное отверстие может быть установлено в виде резиновой заглушки в коллекторе или в виде штампованной прорези в стенке банки. Давление, при котором конденсатор выпускается, предсказуемо и обычно рассчитано на давление около семи атмосфер или даже выше.Допустимое давление обычно выше для конденсаторов небольшой емкости. После вентиляции конденсатора электролит может испариться, пока емкость не уменьшится. Некоторые типичные электролитические конденсаторы показаны на Рисунке 7. Применение и применение электролитических конденсаторов Рис. 8. Ежемесячный мировой рынок конденсаторов. Есть много практических, повседневных применений алюминиевых электролитических конденсаторов.Наиболее важные приложения включают фильтрующие конденсаторы для выходов источника питания, схемы блокировки и обхода постоянного тока, пуск двигателя и другие неполяризованные конденсаторы, аудиоприложения, конденсаторы разряда энергии, конденсаторы фотовспышки и стробоскопа. Каждый из них требует совершенно разных характеристик, которые подробно описаны в Приложении. Общее использование конденсаторов во всем мире составляет примерно один триллион единиц в год. Общая рыночная стоимость составляет примерно 17 миллиардов долларов в год.На рисунке 8 показаны месячные колебания общего рынка конденсаторов за последние несколько лет. На Рисунке 9 представлены годовые рынки алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов, которые составляют более 10% от общего использования. Рис. 9. Мировой рынок электролитических конденсаторов: алюминий (слева), тантал (справа). Приложение Отношение величины заряда «Q» на каждой пластине к электрическому потенциалу или напряжению «V» между пластинами известно как емкость «C». [1] Емкость устройства в основном зависит от геометрии пластины и природы диэлектрика . Для двух параллельных поверхностей, каждая из которых имеет площадь «А», разделенную расстоянием «d» с диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью «k»: [2] где «E o » — диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 × 10 -12 Ф / метр). Относительная диэлектрическая проницаемость «k» материала описывает его поляризуемость. Как видно на рисунке 1, когда заряды + Q и -Q устанавливаются на анодной и катодной пластинах, соответственно, поверхностные заряды + Q ‘и -Q’ на диэлектрике индуцируются в соответствии со следующим соотношением, которое определяет «k» для материал: Q ‘= Q × (1-k). Катодная емкость «C c » включена последовательно с анодной емкостью «C a », чтобы получить общую емкость «C» в соответствии с соотношением: [3] Или переставив: [4] Следовательно, в последовательно соединенных конденсаторах преобладает конденсатор более низкого номинала. Применение электролитического конденсатора Выходной фильтр блока питания Когда синусоидальное переменное напряжение выпрямляется, создается полусинусоидальная форма волны.Эта форма волны обычно преобразуется в постоянное значение постоянного тока с помощью конденсатора, который заряжается до пикового значения полусинусоидального напряжения, а затем подает ток на нагрузку при слегка понижающемся напряжении, пока следующий полусинусоидальный пик не восстановит максимум. напряжение на конденсатор. Небольшое изменение напряжения конденсатора известно как напряжение пульсации, а ток, идущий к конденсатору и от него, называется током пульсации. Чтобы поддерживать стабильный выход постоянного тока и минимизировать пульсации напряжения, емкость конденсатора выбирается достаточно большой по сравнению с сопротивлением нагрузки.Более стабильное напряжение требует более высокого значения емкости и более дорогостоящего конденсатора. Для приложений, в которых стабильность напряжения не очень важна, часто выбирают меньшую емкость. Затем следует учитывать ток пульсаций, поскольку слишком малая емкость может иметь большое эффективное последовательное сопротивление (ESR) и может иметь тенденцию к перегреву. Максимальные номинальные значения пульсирующего тока указываются производителями конденсаторов, и эти номиналы основаны на максимально допустимой рабочей температуре конденсатора, а также на размере, массе, материалах конструкции и ESR конденсатора.Номинальный ток пульсации в алюминиевых электролитических конденсаторах может достигать 50 ампер (среднеквадратичное значение). Блокировка и байпас по постоянному току Частотная характеристика конденсатора такова, что он выглядит как разомкнутая цепь для постоянного постоянного напряжения и виртуальное короткое замыкание на высокие частоты. Таким образом, конденсатор может использоваться для маршрутизации сигналов в соответствии с их частотным составом. Когда сигнал, содержащий как компоненты постоянного, так и переменного тока, отправляется на трансформатор для усиления части переменного тока, часто конденсатор используется последовательно с трансформатором для блокировки компонента постоянного тока, что может вызвать нагрев и искажение сигнала, если он достигнет трансформатора.Для такого применения необходимо проверить линейность частотной характеристики конденсатора, чтобы гарантировать высокую точность, а величина тока конденсатора должна быть ниже его номинального тока пульсаций. Пуск двигателя и прочее неполярное Пусковой момент двигателей переменного тока обеспечивается пусковым конденсатором двигателя, часто биполярным алюминиевым электролитическим конденсатором с низким ESR. Такой конденсатор предназначен для работы в сети переменного напряжения, сильноточной, непродолжительной работы. Конденсаторы для запуска двигателя имеют самый низкий коэффициент рассеяния среди алюминиевых электролитов, всего 2% при 120 Гц.Для достижения такого низкого ESR используется фольга с низким коэффициентом усиления. Корпуса часто изготавливаются из пластика, чтобы обеспечить электрическую изоляцию от потенциала электролита, который следует за приложенным напряжением. Плотность энергии довольно низкая, обычно 50 Дж / кг или меньше. Даже с такими низкими потерями конденсаторы для запуска двигателей быстро нагреваются в процессе их применения и рекомендуются только для малых рабочих циклов, таких как одна секунда включения, одна минута отключения. Аудиоприложения Неполярные алюминиевые электролиты номиналом 50 и 100 вольт часто используются в пассивных кроссоверах для коммерческих и бытовых громкоговорителей, где сигналы содержат компоненты среднего переменного напряжения (около 30 вольт пикового значения) с небольшим содержанием постоянного напряжения или без него.Амплитудно-частотная характеристика и виброустойчивость этих конденсаторов — важнейшие критерии. Электролитические конденсаторы имеют положительный коэффициент емкости по напряжению, что приводит к некоторым гармоническим искажениям. Автомобильная аудиосистема (усиление шины): одно идеальное применение — это большие многокиловаттные приложения для повышения жесткости шины автомобильного аудиоусилителя, где шина 13 В постоянного тока может иметь пик в сотни ампер при каждом ударе бас-барабана или каждом ударе или ударе бас-гитары. Это может привести к падению напряжения автомобильного аккумулятора на несколько вольт, затемнению фар в ритме музыки и сокращению срока службы генератора и аккумулятора, не говоря уже об ухудшении искажений звука и уровней выходного сигнала.Решение — использовать электролитические конденсаторы рядом с усилителями. Эти конденсаторы специального назначения имеют номиналы от 0,5 до 2,0 фарад при 15 В постоянного тока. Эти конденсаторы обычно имеют последовательное сопротивление около одного миллиом, поэтому они достаточно эффективны для повышения напряжения аккумуляторной батареи автомобиля при использовании на уровне около 1 фарада на киловатт. Конденсаторы будущего, вероятно, будут иметь номинал 0,2-0,5 Ф при 60 В постоянного тока для более высоких напряжений батареи. Приложения для разряда энергии Обычное применение разряда энергии для алюминиевых электролитических конденсаторов — это фотовспышка для фотографии, как профессиональной, так и потребительской.Эти конденсаторы теперь все больше и больше используются для разряда лазерных фонарей. Военные заинтересованы в алюминиевых электролитах для низковольтных импульсов лазерных радаров с диодной накачкой. В данной статье алюминиевые конденсаторы для электролитического разряда подразделяются на три режима напряжения: 1. Высокое напряжение — номинальное напряжение больше или равно 350 вольт. 2. Среднее напряжение — менее 350 вольт, но больше или равно 150 вольт. 3. Низкое напряжение — менее 150 вольт. Приложения Photoflash Конденсаторы фотовспышки, используемые во встроенных потребительских камерах, обычно находятся в диапазоне 100 мкФ 360 В и могут достигать нескольких сотен микрофарад в отдельных блоках на верхней панели камеры. Эти небольшие блоки часто состоят из двух пористых анодов, расположенных рядом. Типичная плотность энергии составляет 1,5 Дж / грамм или 2 Дж / см 3 . Профессиональные фотографы используют батареи электролитических конденсаторов в портативных, но объемных устройствах весом около 10 кг. Они содержат многие тысячи микрофарад, обычно в переключаемых банках с вентиляторным охлаждением.Обычно это конденсаторы с винтовыми зажимами, конструкция которых очень похожа на обычные фильтрующие конденсаторы. Конденсаторы Photoflash могут использоваться со средней частотой до восьми вспышек в минуту, в зависимости от размера, энергии и управления температурой. Четыре вспышки в минуту более типичны. Фотовспышка часто вызывает адиабатическое повышение внутренней температуры примерно на 0,05 o C (0,09 o F) за одну вспышку. Это приводит к выводу, что для значительного нагрева конденсатора необходимо несколько сотен вспышек.Следовательно, в первые полчаса можно было применять 10 вспышек в минуту без ограничений. Типичный срок службы конденсатора вспышки составляет от 50 000 до 200 000 вспышек. Долговечные конструкции доступны для одного миллиона и более вспышек. Применение стробоскопа Конденсаторы стробоскопа используются с высокой частотой повторения. В случае низковольтных устройств частота повторения может быть очень высокой, достаточно высокой для использования в стробоскопических лампах для вечеринок и в автомобильных тахометрах. Высоковольтные блоки обычно не могут работать в режиме полного заряда-разряда, превышающего частоту повторения 2 или 3 Гц или частоту повторения.В высоковольтных алюминиевых электролитических строб-конденсаторах используется структура диэлектрика из оксида алюминия , отличная от их аналогов с фотовспышкой и фильтром. Конденсаторы строба используют аморфный оксид алюминия, а не обычный кристаллический оксид алюминия. Это достигается в процессе формования при анодировании фольги. Используются различная предварительная обработка, температура процесса и плотность тока, а также различный химический состав электролита. К сожалению, полученный диэлектрик намного толще, чем его кристаллический аналог.По этой причине стробоскопическая фольга имеет большие туннели, а стробоскопические конденсаторы страдают от плотности энергии и стоимости примерно в четыре раза по сравнению с их кристаллическими собратьями. Но их частота повторения может дать улучшение в двадцать раз, а продолжительность их жизни может приближаться к 1000 раз больше, чем количество устойчивых циклов заряда-разряда. Когда требуется только частичный разряд, такой как разряд от 400 В до 250 В, вместо полного разряда, могут быть разработаны гибридные конструкции конденсаторов, которые обеспечивают высокую частоту повторения, длительный срок службы, без потери стоимости и размера, требуемых аморфной фольгой. . В обычном разрядном конденсаторе конденсатор заряжается медленно, быстро разряжается и претерпевает определенное количество циклов разряда в единицу времени. Время, необходимое для зарядки конденсатора, называется временем зарядки. Время, в течение которого конденсатор разряжается, называется временем разряда. Цикл заряда-разряда известен как выстрел. Количество циклов заряда-разряда в секунду называется частотой повторения и выражается в герцах (Гц).Когда частота повторения очень мала или конденсатор срабатывает не часто, рабочее состояние известно как однократное. Когда конденсатор подвергается прерывистой работе с номинальной повторяемостью, коэффициент заполнения определяется как время включения, деленное на сумму времени включения и периода покоя. Срок службы конденсатора определяется как ожидаемое количество выстрелов до того, как произойдет определенная степень деградации. Обычно предел — это повышение СОЭ. Статьи по теме Анодирование Конденсаторы электрохимические Дополнительная литература Библиография Многие соответствующие публикации перечислены на веб-сайте FaradNet. Перечни книг по электрохимии, обзорных глав, сборников трудов и полные тексты некоторых исторических публикаций также доступны в Информационном ресурсе по науке и технологиям по электрохимии (ESTIR). (http://knowledge.electrochem.org/estir/) Вернуться к: Верх — Домашняя страница энциклопедии — Содержание — Именной указатель — Предметный указатель — Поиск — Словарь — Домашняя страница ESTIR — Домашняя страница ECS

Почему выходят из строя конденсаторы? Виды выхода конденсатора из строя и общие причины

Конденсаторы из бумажной и пластиковой пленки подвержены двум классическим сбоям: обрыв или короткое замыкание.К этим категориям относятся шорты с переменным открытием, шорты и шорты с высоким сопротивлением. Помимо этих отказов, конденсаторы могут выйти из строя из-за дрейфа емкости, нестабильности с температурой, высокого коэффициента рассеяния или низкого сопротивления изоляции.

Неисправности могут быть результатом электрических, механических или внешних перенапряжений, «износа» из-за диэлектрической деградации во время работы или производственных дефектов.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОРЫВ (ШОРТЫ)

Классическим механизмом выхода конденсатора из строя является пробой диэлектрика.Диэлектрик в конденсаторе подвергается действию полного потенциала, которым заряжено устройство, и из-за небольших физических размеров конденсатора часто возникают высокие электрические напряжения. Пробой диэлектрика может развиться после многих часов удовлетворительной работы. Есть множество причин, которые могут быть связаны с эксплуатационными отказами. Если устройство работает при максимальных номинальных условиях или ниже, большинство диэлектрических материалов постепенно ухудшаются со временем и температурой до точки возможного отказа.Большинство обычных диэлектрических материалов подвергаются медленному старению, в результате чего они становятся хрупкими и более склонными к растрескиванию. Чем выше температура, тем больше ускоряется процесс. Химическая или водная очистка также может оказать неблагоприятное воздействие на конденсаторы (см. Технический бюллетень № 11).

Пробой диэлектрика может произойти в результате неправильного использования или скачков напряжения (скачков). Конденсатор может выдержать множество повторяющихся переходных процессов высокого напряжения; однако это может вызвать преждевременный выход из строя.

КОНДЕНСАТОР ОТКРЫТЫЙ

Обрыв конденсаторов обычно возникает в результате перенапряжения в приложении. Например, работа конденсаторов с номинальным постоянным током при высоких уровнях переменного тока может вызвать локальный нагрев концевых заделок. Локальный нагрев вызван высокими потерями 12R. (См. Технический бюллетень № 10). Продолжение работы конденсатора может привести к увеличению оконечного оконечного сопротивления, дополнительному нагреву и возможному выходу из строя. «Открытое» состояние вызвано разделением концевых соединений конденсатора.Это состояние чаще встречается с конденсаторами малой емкости и диаметром менее 0,25 дюйма. Вот почему необходимо соблюдать осторожность при выборе конденсатора для приложений переменного тока.

Установка конденсаторов за выводы в среде с высокой вибрацией также может вызвать «разомкнутое» состояние. Военные спецификации требуют, чтобы компоненты весом более половины унции не могли устанавливаться только за их выводы. При достижении серьезного резонанса выводной провод может устать и сломаться в зоне выхода.Корпус конденсатора должен быть закреплен на месте с помощью зажима или конструкционного клея.

ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Следующий список представляет собой краткое изложение наиболее распространенных экологических «критических факторов» в отношении конденсаторов. Инженер-проектировщик должен учитывать свои собственные приложения и эффекты, вызванные сочетанием различных факторов окружающей среды.

СРОК СЛУЖБЫ

Необходимо учитывать срок службы конденсатора.Срок службы уменьшается с повышением температуры.

МОЩНОСТЬ

Емкость будет увеличиваться и уменьшаться в зависимости от температуры в зависимости от диэлектрика. Это вызвано изменением диэлектрической проницаемости и расширением или сжатием самого диэлектрического материала / электродов. Изменения емкости могут быть результатом чрезмерного давления зажима на нежесткие корпуса. (См. Технический бюллетень №4).

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ

По мере увеличения температуры конденсатора сопротивление изоляции уменьшается.Это связано с повышенной электронной активностью. Низкое сопротивление изоляции также может быть результатом попадания влаги в обмотки, длительного воздействия чрезмерной влажности или попадания влаги в ловушку во время производственного процесса. (См. Технический бюллетень № 5).

КОЭФФИЦИЕНТ РАССЕЯНИЯ

Коэффициент рассеяния — сложная функция, связанная с «неэффективностью» конденсатора. «Д.Ф.» может увеличиваться или уменьшаться с повышением температуры в зависимости от материала диэлектрика.(См. Технический бюллетень № 6).

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

Уровень диэлектрической прочности (выдерживаемое диэлектрическое напряжение или «напряжение» напряжения) снижается с повышением температуры. Это связано с химической активностью диэлектрического материала, которая вызывает изменение физических или электрических свойств конденсатора.

УПЛОТНЕНИЕ

Герметичные конденсаторы
При повышении температуры внутреннее давление внутри конденсатора увеличивается.Если внутреннее давление становится достаточно большим, это может вызвать повреждение конденсатора, что может привести к утечке пропиточной жидкости или повышенной чувствительности к влаге.

Конденсаторы в эпоксидной оболочке / обертывании и заполнении
Эпоксидные уплотнения на конденсаторах с эпоксидной оболочкой и конденсаторах с оболочкой и заполнением выдерживают кратковременное воздействие окружающей среды с высокой влажностью без ухудшения характеристик. Эпоксидные смолы и «пластиковые» ленты образуют «псевдо-непроницаемый барьер» для воды и химикатов. Эти материалы корпуса в некоторой степени пористы и из-за осмоса могут вызвать попадание загрязняющих веществ в конденсатор.Вторая область поглощения загрязнений — это поверхность раздела свинцовый провод / эпоксидная смола. Поскольку эпоксидные смолы не могут на 100% сцепляться с лужеными свинцовыми проводами, может образоваться путь вверх по свинцовому проводу в секцию конденсатора. Это может усугубиться очисткой печатных плат водной водой. (Electrocube предлагает решение для поглощения влаги / загрязнений. См. Технический бюллетень №11).

ВИБРАЦИЯ, УСКОРЕНИЕ И УДАР

Конденсатор может быть механически разрушен или может выйти из строя, если он не спроектирован, изготовлен или установлен не в соответствии с требованиями к вибрации, ударам или ускорению в конкретном приложении.Перемещение конденсатора внутри корпуса может привести к низкому внутреннему сопротивлению, короткому замыканию или обрыву. Усталость проводов или монтажных кронштейнов также может вызвать катастрофический отказ.

БАРОМЕТРИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

Высота, на которой должны работать герметичные конденсаторы, будет определять номинальное напряжение конденсатора. По мере снижения барометрического давления повышается и предельная восприимчивость к «дуговому замыканию».

Негерметичные конденсаторы могут подвергаться воздействию внутренних напряжений из-за изменений давления.Это может быть в виде изменений емкости или пробоя диэлектрической дуги, а также низкого I.R.

На теплопередачу также может влиять работа на большой высоте. Тепло, выделяемое на выводах выводов, не может должным образом рассеиваться и может привести к высоким потерям 12R и возможному выходу из строя.

ИЗЛУЧЕНИЕ

Для космических и ядерных применений необходимо учитывать радиационную способность конденсаторов. Может иметь место электрическая деградация в виде диэлектрического охрупчивания, вызывающая «короткое замыкание» или «размыкание».Радиационные эффекты в конденсаторах могут быть как кратковременными, так и постоянными. Переходные эффекты — это изменения электрических параметров, которые представляют собой изменение емкости и снижение сопротивления изоляции (только во время облучения). К конденсаторам могут применяться специальные методы и процессы для улучшения радиационной стойкости различных пластиковых диэлектриков.

Конденсаторы с неорганическими диэлектриками и корпусами, такими как стекло, более устойчивы к радиации, чем конденсаторы, в которых используются органические материалы, такие как пропитанная маслом бумага.Помимо электрических изменений, вызванных ионизирующим излучением и бомбардировкой частицами, выделение газа из пропиток может создавать разрушающее давление в герметичных корпусах.

На рисунке 1 перечислены различные категории конденсаторов в порядке убывания их радиационной стойкости (наиболее стойкий тип указан первым) Согласно Справочнику по космическим материалам NASA SP-3025:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ ОТКАЗОВ

Рисунки 2 и 3 взяты из Mil-HBK-217. Значения типичны для полиэфирных конденсаторов типа CTM (конденсаторы в неметаллических корпусах).Эти данные следует использовать только в качестве справки и могут быть применены к большинству пластиковых конденсаторов без QPL. Нормы отказов являются ожидаемыми. Для продуктов OPL необходимо проконсультироваться с Mil-HBK-217 для конкретного применения.

Рисунок 1 Рисунок 3: Коэффициенты умножения для частоты отказов, полученные из рисунка 2

Сопротивление изоляции, ток утечки DCL и пробой напряжения — Европейский институт пассивных компонентов

C1.2 СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ, IR Рисунок C1-10.Схема ИК сопротивления изоляции конденсатора

Диэлектрик конденсатора имеет большую площадь и небольшую длину. Даже если материал является хорошим изолятором, между заряженными электродами всегда течет определенный ток (ток растет экспоненциально с температурой). Эту утечку можно описать как параллельное сопротивление с высоким значением сопротивления изоляции ИК-излучения (рисунок C1-10).

В зависимости от типа конденсатора вы можете найти значения IR или DCL со ссылкой на стандартные условия в технических описаниях и каталогах производителей.Электростатические конденсаторы (пленочные или керамические) используют параметр IR, тогда как для электролитических конденсаторов с их относительно низким IR указывается скорее ток утечки DCL.

---

C 1.2.1 Измерение IR и DCL

При определении IR измеряется ток утечки DCL через конденсатор. Однако измерительная цепь всегда содержит определенное последовательное сопротивление.

Следовательно, нам необходимо учитывать время зарядки.Принципиальная схема и кривая зарядки конденсатора показаны на рисунке C1-11.

Рисунок C1-11. Кривая зарядки конденсатора в резистивной цепи

Зарядный ток конденсатора показан на рисунке C1-12 (принципиальная схема как на рисунке C1-11). Если бы конденсатор был идеальным, ток быстро достиг бы предельного значения, соответствующего IR. Идеальная кривая тока обозначается I _C-ideal . Но поскольку поляризация в диэлектрике требует конечного времени для переориентации диполей, реальный зарядный ток следует кривой I _{C-поляризации} .

Рисунок C1-12. Идеальный и реальный зарядный ток в конденсаторе

Чтобы получить реальный IR, нам пришлось бы ждать очень долго. На практике мы довольствуемся указанным значением IR, соответствующим измерительному току в момент времени t _{, измерение} на рисунке C1-13.

Здесь мы отметили заданное значение current , которое на измерительных устройствах классифицируется в соответствующем значении IR . Обычно время считывания показаний ИК составляет в спецификациях МЭК 1 или 5 минут в зависимости от типа конденсатора.Спецификации MIL часто требуют 2 и более минут.

При входящем и производственном контроле применяется значительно более короткое время, что позволяет быстро измерять объемы производства . IR / DCL относится к «условиям комнатной температуры» (RT), приблизительно 23 ° C. IR уменьшается, а DCL увеличивается с увеличением температуры детали и может при максимальной температуре быть на несколько десятков больше, чем при RT.

Рисунок C1-13. Ограничения по времени при ИК-измерениях.

IR конденсаторов определенного типа и номинального напряжения уменьшается пропорционально увеличению емкости (т.е.е., увеличивающаяся площадь). И наоборот. Уменьшение емкости за счет соответственно уменьшенной площади увеличит ИК-излучение. Однако до определенного максимального значения емкости ИК на самом деле настолько велик, что на самом деле внешняя конструкция и литье или защитное покрытие определяют измеренные значения. Выше этой точки останова спецификации требуют произведения , константы : IR x C (в секундах). Этот продукт также обозначается постоянной времени (см. Следующий раздел).

---

C 1.2.2 Постоянная времени

Если оставить заряженный конденсатор с разомкнутыми контактами, заряд будет последовательно течь от одного электрода к другому через внутреннее сопротивление изоляции . В конце концов напряжение упадет до нуля. Из-за очень высокого ИК-излучения электростатического конденсатора (неэлектролитического) полная разрядка займет очень много времени.

Более понятной мерой скорости разряда является постоянная времени.Он определяется как время, за которое начальное напряжение E упадет до значения 1 / e на E (рисунок C3-14).

Со ссылкой на рисунки C1-11 и -12 мы можем определить как произведение IR x C. Эта величина выводится из уравнения (C1-1) как Ω x As / V = ​​Vs / V = ​​ с (секунды).

Периодически можно встретить выражение ом-фарад (ΩF) или несколько неудобное выражение мегом-микрофарад (MΩF). Вместо использования выражения IR x C обычно упоминается только RC-продукт конденсатора .Тогда R понимается как IR, т.е. IR x C = RC = τ.

τ = RC (s) или (ΩF) …………. [C1-8]

Рисунок C1-14. Иллюстрация постоянной времени

---

C 1.2.3 Диэлектрическая стойкость и напряжение пробоя

Диэлектрическая прочность материала определяется напряжением пробоя и выражается в кВ / см. Поскольку время, температура и другие факторы определяют напряжение пробоя, это отражается на условиях измерения выдерживаемого напряжения диэлектрика DWV.Они выполняются при определенной температуре, толщине материала, частоте и форме кривой испытательного напряжения, а также способе подключения. DWV обычно определяется как среднее значение набора образцов из-за влияния вариаций материала и т. Д.

Напряжение короны

Практическим и важным пределом для напряжения пробоя, особенно в высоковольтных органических пленочных или алюминиевых конденсаторах, является напряжение короны , то есть то напряжение, при котором начинает проявляться корона .Корона — это начальные электрические разряды в газах, которые затем ионизируются. Ионизированные продукты в воздухе или в богатой углеродом среде, характерные для всех микрополостей или пустот в диэлектриках, а также в больших полостях внутри упаковки компонентов, состоят из озона и паров азота. Большинство органических диэлектриков напрямую подвержены разложению. Если газообразные продукты образовались в герметично закрытой упаковке, то их концентрация

увеличивается, они ухудшают поведение органических диэлектриков.Помните, что пиковое напряжение переменного тока чуть выше напряжения короны в каждом полупериоде дает новый вклад в продукты короны. Кроме того, происходит тепловыделение в результате явления коронного разряда, которое еще больше ускоряет химическое разложение.

В целом имеется некоторая наименьшая напряженность поля

необходимо в полости для начала ионизации. Кроме того, играет роль длина ионизационного промежутка. Но даже если напряженность поля по формуле С1-6 должна быть значительно выше в одной части смешанного диэлектрика, напряжения переменного тока ниже 250 В Р.РС. безвредны и в самом неблагоприятном случае. С одним условием : не должно быть разрешено никаких входящих переходных процессов , которые в противном случае могли бы запустить процесс ионизации. Следовательно, мы должны создавать безопасные запасы на основе наших знаний о происходящих переходных процессах. Если не уверены, следует использовать конденсаторы, в которых напряжение распределяется по элементам, включенным последовательно.

Переходные процессы и аномалии в диэлектрике представляют собой опасную комбинацию.

Рисунок C1-15.Частично смешанный диэлектрик, состоящий из слоистой композиции органического диэлектрика и газов в пустоте

Следующий пример демонстрирует опасность:

Для простоты измерения и диэлектрические постоянные выбраны, как показано на рисунке C1-15. Из формулы C1-6 получаем

ε _r1 x E ₁ = ε _r2 x E ₂ ; 1 x E ₁ = 3 x E ₂ ; E ₁ = 3E ₂ .

Здесь мы случайно получили напряженность электрического поля в 3 раза превышающую номинальную.«Безопасное» номинальное напряжение переменного тока чуть ниже 250 В или входящие переходные процессы обязательно вызовут коронный разряд в такой пустоте.

В высоковольтных керамических конденсаторах, предназначенных для систем высокой надежности, используется метод тестирования и проверки для обнаружения пустот и расслоений путем возникновения частичных разрядов (короны). В методе предпочтительно используется AC

.

напряжений чуть выше напряжения начала короны (CIV) и может обнаруживать пустоты, превышающие требования EIA-469 к размеру.

Испытательное напряжение

Испытательное напряжение является практической гарантией ценности конденсатора.Он расположен значительно ниже напряжения короны и применяется в течение определенного ограниченного времени, например 2 секунды при производственном контроле и 1 минута при типовых испытаниях и входном контроле.

Стандартные испытательные напряжения могут составлять 1,1 x V _R , 1,3 x V _R , 1,5 x V _R , 2 x V _R и т.п. в зависимости от типа конденсатора.

Типы пробоя конденсатора

Существует два основных типа пробоя конденсаторов:

(I) Электрический пробой

Во время электрического пробоя электрическое поле, обычно связанное с чрезмерно приложенным напряжением, превышает электрическую прочность диэлектрического материала, что приводит к полному разрыву и режиму отказа с низким сопротивлением / коротким замыканием.Ответственный механизм проводимости — это в основном туннелирование электронов или дырок, ускоренных электрическим полем выше критического значения. Тогда лавинный эффект может привести к полному разрушению и катастрофическому выходу из строя — короткому замыканию конденсатора.

Критическими параметрами спецификации являются: номинальное напряжение переменного / постоянного тока, категория напряжения (максимальное напряжение при определенной температуре).

(II) Термический пробой

Во время теплового пробоя электрическое поле ниже критического значения (приложенное напряжение ниже номинального), но через конденсатор течет чрезмерный ток — в виде высокого пульсационного тока, переходного тока или в обратном режиме (поляризованные конденсаторы).Джоулев нагрев, вызванный прохождением тока, увеличивает локальную температуру внутри конструкции конденсатора вплоть до теплового повреждения и разрушения его материалов.

Критическими параметрами спецификации являются: Максимальный ток / напряжение пульсации; Максимальная мощность; Максимальное переходное dV / dt или dI / dt или минимальное последовательное сопротивление цепи.

Испытание на электрический пробой

Значение электрического пробоя конденсатора может быть не таким точным параметром, как можно было бы ожидать. Критическим параметром является приложение электрического поля к диэлектрику, но, помимо температуры окружающей среды, состояние диэлектрика / рассеивание энергии может также зависеть от времени и истории (внутренняя температура из-за прошлых событий, влажность и т. Д.).

для электрического пробоя мы можем рассмотреть следующие процедуры испытаний, которые в некоторых конденсаторных технологиях могут давать разные значения напряжения пробоя:

1] Статическая разбивка

На внешнем источнике питания мы устанавливаем максимальное ограничение тока, а затем увеличиваем напряжение от номинального напряжения небольшими приращениями, чтобы минимизировать переходный ток, пока не произойдет пробой. Это можно сделать вручную, но, конечно, лучше сделать это с помощью более сложных программируемых источников питания или даже автоматических систем измерения пробоя, которые точно определяют напряжение BDV по изменению dI / dt.

2] Динамическая разбивка

Во время динамического пробоя на конденсатор подается импульс большой мощности через низкое последовательное сопротивление. Внимание: схема должна отражать условия ограничения максимального переходного напряжения / тока, чтобы не вызвать теплового пробоя.

Последовательность испытаний обычно автоматизирована: мы прикладываем определенное количество импульсов при желаемом напряжении (например, 1,1xVr), а затем, если конденсатор выживает, мы переходим на одну ступень выше напряжения (например, 1.2xVr) до пробоя конденсатора. … Опять же, это можно полностью автоматизировать с помощью программируемых источников питания.

3] Самовосстановление Подавленная динамическая поломка

Этот тест идентичен описанному выше динамическому пробою, с той лишь разницей, что мы будем заменять образцы после каждого скачка напряжения. Это актуально для конденсаторных технологий с самовосстановлением, поскольку мы хотим подавить износ конденсаторов за счет процесса самовосстановления на предыдущем этапе нагрузки. Задача состоит в том, чтобы получить впечатление о его надежности BDV, когда в реальной эксплуатации случаются неравномерные всплески (без какого-либо кондиционирования старением).

Различия между BDV, индуцированными вышеуказанными методами, зависят от конденсаторной технологии. Практически не было бы разницы с воздушными / вакуумными конденсаторами, немного с электростатическими конденсаторами и более заметной с электролитическими конденсаторами с самовосстановлением, где, очевидно, Static BDV> Dynamic BDV> Dynamic Breakdown без истории

---

ABC CLR: Глава C Конденсаторы

Лицензионный контент EPCI:

[1] EPCI Эксперты Европейского института пассивных компонентов оригинальные статьи
[2] Справочник по пассивным компонентам CLR от P-O.Fagerholt *

* используется под авторским правом EPCI от CTI Corporation, США

Содержание этой страницы находится под международной лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0.

Конденсатор

Тип: Пассивный

Изобретено: Эвальд Георг фон Клейст

Электронный символ

Конденсатор (первоначально известный как конденсатор) — это пассивный двухконтактный электрический компонент, используемый для временного хранения электроэнергии в электрическом поле.Формы практических конденсаторов широко варьируются, но все они содержат по крайней мере два электрических проводника (пластины), разделенные диэлектриком (то есть изолятором, который может накапливать энергию, становясь поляризованным). Проводники могут быть тонкими пленками, фольгой или спеченными шариками из металла или проводящего электролита и т. Д. Непроводящий диэлектрик увеличивает зарядную емкость конденсатора. Диэлектриком может быть стекло, керамика, пластиковая пленка, воздух, вакуум, бумага, слюда, оксидный слой и т. Д. Конденсаторы широко используются в качестве частей электрических цепей во многих обычных электрических устройствах.В отличие от резистора, идеальный конденсатор не рассеивает энергию. Вместо этого конденсатор накапливает энергию в виде электростатического поля между пластинами.

Когда существует разность потенциалов на проводниках (например, когда конденсатор присоединен к батарее), электрическое поле развивается через диэлектрик, заставляя положительный заряд + Q собираться на одной пластине, а отрицательный заряд -Q собираться на пластине. другая плита. Если батарея была подключена к конденсатору в течение достаточного времени, через конденсатор не может протекать ток.Однако, если на выводы конденсатора приложить изменяющееся во времени напряжение, может протекать ток смещения.

Идеальный конденсатор характеризуется единственным постоянным значением — емкостью. Емкость определяется как отношение электрического заряда Q на каждом проводе к разности потенциалов V между ними. Единица измерения емкости в системе СИ — фарад (Ф), который равен одному кулону на вольт (1 Кл / В). Типичные значения емкости находятся в диапазоне от примерно 1 пФ (10-12 Ф) до примерно 1 мФ (10-3 Ф).

Чем больше площадь поверхности «пластин» (проводников) и чем уже зазор между ними, тем больше емкость. На практике диэлектрик между пластинами пропускает небольшой ток утечки, а также имеет предел напряженности электрического поля, известный как напряжение пробоя. Проводники и выводы создают нежелательную индуктивность и сопротивление.

Конденсаторы широко используются в электронных схемах для блокировки постоянного тока и пропускания переменного тока.В сетях аналоговых фильтров они сглаживают выходной сигнал источников питания. В резонансных цепях они настраивают радио на определенные частоты. В системах передачи электроэнергии они стабилизируют напряжение и поток мощности.

Миниатюрные низковольтные конденсаторы (рядом с линейкой в ​​сантиметрах)

Типичный электролитический конденсатор

4 электролитических конденсатора разного напряжения и емкости

Твердый электролит, танталовые конденсаторы 10 мкФ, 35 В.Знак + указывает на положительный вывод.

Содержание

1 История

2 Принцип действия

2.1 Обзор

2.2 Гидравлическая аналогия

2.3 Энергия электрического поля

2.4 Соотношение тока и напряжения

2,5 Цепи постоянного тока

2.6 Цепи переменного тока

2.7 Анализ цепи Лапласа (s-домен)

2.8 Параллельно-пластинчатая модель

2,9 Сети

3 Неидеальное поведение

3.1 Напряжение пробоя

3.2 Эквивалентная схема

3,3 Q-фактор

3,4 Пульсации тока

3.5 Нестабильность емкости

3,6 Реверс тока и напряжения

3,7 Диэлектрическое поглощение

3,8 Утечка

3.9 Электролитический отказ из-за неиспользования

4 типа конденсаторов

4.1 Диэлектрические материалы

4.2 Конструкция

5 Маркировка конденсатора

5.1 Пример

6 приложений

6,1 Накопитель энергии

6,2 Импульсное питание и оружие

6.3 Кондиционирование воздуха

6.3.1 Коррекция коэффициента мощности

6.4 Подавитель и муфта

6.4.1 Сигнальная муфта

6.4.2 Развязка

6.4.3 Фильтры высоких и низких частот

6.4.4 Шумоподавление, шипы и демпферы

6.5 Пускатели электродвигателей

6.6 Обработка сигналов

6.6.1 Настроенные схемы

6,7 Обнаружение

6,8 Осцилляторы

6,9 Производство света

7 Опасности и безопасность

История

Батарея из четырех лейденских кувшинов в музее Бурхааве, Лейден, Нидерланды

В октябре 1745 года Эвальд Георг фон Клейст из Померании, Германия, обнаружил, что заряд может накапливаться, если подключить высоковольтный электростатический генератор с помощью провода к объему воды в ручной стеклянной банке.Рука фон Клейста и вода действовали как проводники, а банка как диэлектрик (хотя детали механизма в то время были неправильно идентифицированы). Фон Клейст обнаружил, что прикосновение к проводу приводило к сильной искре, гораздо более болезненной, чем искра, полученная от электростатической машины. В следующем году голландский физик Питер ван Мушенбрук изобрел аналогичный конденсатор, который был назван Лейденской банкой в ​​честь Лейденского университета, где он работал. Он также был впечатлен мощью потрясения, которое он получил, написав: «Я не стал бы испытывать второе потрясение для королевства Франция.«

Даниэль Гралат был первым, кто объединил несколько банок параллельно в «батарею» для увеличения емкости хранения заряда. Бенджамин Франклин исследовал лейденскую банку и пришел к выводу, что заряд хранился на стекле, а не в воде, как предполагали другие. Он также принял термин «батарея» (обозначающий увеличение мощности с рядом подобных единиц, как в батарее пушек), впоследствии примененный к скоплениям электрохимических ячеек. Позже лейденские банки были изготовлены путем покрытия внутренней и внешней стороны банок металлической фольгой, оставляя пространство во рту, чтобы предотвратить образование дуги между фольгой.Первой единицей емкости была банка, эквивалентная примерно 1,11 нанофарад.

Лейденские банки или более мощные устройства, в которых использовались плоские стеклянные пластины, чередующиеся с проводниками из фольги, использовались исключительно до 1900 года, когда изобретение беспроводной связи (радио) создало спрос на стандартные конденсаторы, а постоянный переход к более высоким частотам требовал конденсаторов с меньшей индуктивностью. . Начали использоваться более компактные методы строительства, такие как гибкий диэлектрический лист (например, промасленная бумага), зажатый между листами металлической фольги, свернутый или свернутый в небольшой пакет.

Ранние конденсаторы были также известны как конденсаторы, термин, который все еще иногда используется сегодня, особенно в приложениях с высокой мощностью, таких как автомобильные системы. Этот термин был впервые использован для этой цели Алессандро Вольта в 1782 году в отношении способности устройства сохранять более высокую плотность электрического заряда, чем обычный изолированный проводник.

С самого начала изучения электричества непроводящие материалы, такие как стекло, фарфор, бумага и слюда, использовались в качестве изоляторов.Эти материалы несколько десятилетий спустя также хорошо подходили для дальнейшего использования в качестве диэлектрика для первых конденсаторов. В конце 19 века широко использовались бумажные конденсаторы, изготовленные путем прослоения полосы пропитанной бумаги между полосами металла и скатывания результата в цилиндр; их производство началось в 1876 году, а с начала 20 века они использовались в качестве разделительных конденсаторов в телекоммуникациях (телефонии). Фарфор был предшественником всех конденсаторов, которые теперь принадлежат к семейству керамических конденсаторов.Даже в первые годы существования беспроводных передающих устройств Маркони фарфоровые конденсаторы использовались для высокого напряжения и высокочастотного применения в передатчиках.

На стороне приемника для резонансных контуров использовались слюдяные конденсаторы меньшего размера. Слюдяные диэлектрические конденсаторы были изобретены в 1909 году Уильямом Дубилье. До Второй мировой войны слюда была наиболее распространенным диэлектриком для конденсаторов в Соединенных Штатах.

Чарльз Поллак (урожденный Кароль Поллак), изобретатель алюминиевых электролитических конденсаторов, обнаружил, что оксидный слой на алюминиевом аноде остается стабильным в нейтральном или щелочном электролите даже при отключении питания.В 1896 году он подал патент на «Электрический жидкостный конденсатор с алюминиевыми электродами», основанный на его идее использования оксидного слоя в поляризованном конденсаторе в сочетании с нейтральным или слабощелочным электролитом.

С разработкой пластмассовых материалов химиками-органиками во время Второй мировой войны, конденсаторная промышленность начала заменять бумагу более тонкими полимерными пленками. Одна очень ранняя разработка пленочных конденсаторов была описана в британском патенте 587 953 в 1944 году.

Танталовые конденсаторы с твердым электролитом были изобретены Bell Laboratories в начале 1950-х годов как миниатюрные и более надежные низковольтные вспомогательные конденсаторы в дополнение к их недавно изобретенному транзистору.

И последнее, но не менее важное, были изобретены электрические двухслойные конденсаторы (ныне суперконденсаторы). В 1957 г. Х. Беккер разработал «Низковольтный электролитический конденсатор с пористыми углеродными электродами». Он считал, что энергия накапливается в виде заряда в углеродных порах, используемых в его конденсаторе, а также в порах вытравленной фольги электролитических конденсаторов. Поскольку в то время он не знал о двухслойном механизме, он написал в патенте: «Неизвестно точно, что происходит в компоненте, если он используется для хранения энергии, но это приводит к чрезвычайно высокой емкости». .

Теория действия

Обзор

Разделение зарядов в конденсаторе с параллельными пластинами вызывает внутреннее электрическое поле. Диэлектрик (оранжевый) уменьшает поле и увеличивает емкость.

Простая демонстрация конденсатора с параллельными пластинами

Конденсатор состоит из двух проводников, разделенных непроводящей областью.Непроводящая область называется диэлектриком. Проще говоря, диэлектрик — это просто электрический изолятор. Примерами диэлектрических сред являются стекло, воздух, бумага, вакуум и даже обедненная полупроводником область, химически идентичная проводникам. Предполагается, что конденсатор является автономным и изолированным, без электрического заряда и без влияния какого-либо внешнего электрического поля. Таким образом, проводники удерживают одинаковые и противоположные заряды на своих обращенных друг к другу поверхностях, а диэлектрик создает электрическое поле.В единицах СИ емкость в один фарад означает, что один кулон заряда на каждом проводнике вызывает напряжение в один вольт на устройстве.

Идеальный конденсатор полностью характеризуется постоянной емкостью C, определяемой как отношение заряда ± Q на каждом проводе к напряжению V между ними:

Поскольку проводники (или пластины) расположены близко друг к другу, противоположные заряды на проводниках притягиваются друг к другу из-за их электрических полей, позволяя конденсатору сохранять больше заряда для данного напряжения, чем если бы проводники были разделены, что дает конденсатору большую емкость.

Иногда накопление заряда влияет на конденсатор механически, вызывая изменение его емкости. В этом случае емкость определяется в единицах приращения:

Гидравлическая аналогия

В гидравлической аналогии конденсатор аналогичен резиновой мембране, запертой внутри трубы. На этой анимации показано, как мембрана многократно растягивается и не растягивается потоком воды, что аналогично конденсатору, который многократно заряжается и разряжается потоком заряда.

В гидравлической аналогии носители заряда, протекающие по проводу, аналогичны воде, протекающей по трубе. Конденсатор похож на резиновую мембрану, запертую внутри трубы. Молекулы воды не могут проходить через мембрану, но некоторое количество воды может двигаться, растягивая мембрану. Аналогия проясняет некоторые аспекты конденсаторов:

• Ток изменяет заряд конденсатора так же, как поток воды меняет положение мембраны. Более конкретно, действие электрического тока заключается в увеличении заряда одной пластины конденсатора и уменьшении заряда другой пластины на равную величину.Это похоже на то, как когда поток воды перемещает резиновую мембрану, он увеличивает количество воды с одной стороны мембраны и уменьшает количество воды с другой стороны.
• Чем больше заряжен конденсатор, тем больше падение напряжения на нем; т. е. чем больше он «отталкивает» зарядный ток. Это аналогично тому факту, что чем больше растягивается мембрана, тем больше она отталкивается от воды.
• Заряд может течь «через» конденсатор, даже если отдельный электрон не может попасть с одной стороны на другую.Это аналогично тому, что вода может течь по трубе, даже если молекула воды не может пройти через резиновую мембрану. Конечно, поток не может продолжаться вечно в одном и том же направлении; конденсатор испытает пробой диэлектрика, и аналогично мембрана в конечном итоге сломается.
• Емкость описывает, сколько заряда может храниться на одной пластине конденсатора при заданном «толчке» (падении напряжения). Очень эластичная гибкая мембрана соответствует более высокой емкости, чем жесткая мембрана.
• Заряженный конденсатор накапливает потенциальную энергию аналогично растянутой мембране.

Энергия электрического поля

Работа должна выполняться внешним воздействием для «перемещения» заряда между проводниками в конденсаторе. Когда внешнее влияние устраняется, разделение зарядов сохраняется в электрическом поле, и энергия накапливается для высвобождения, когда заряду позволяют вернуться в свое положение равновесия. Работа, проделанная для установления электрического поля, и, следовательно, количество запасенной энергии составляет

Здесь Q — заряд, накопленный в конденсаторе, V — напряжение на конденсаторе, а C — емкость.

В случае колебания напряжения V (t) запасенная энергия также колеблется, и, следовательно, мощность должна поступать в конденсатор или из него. Эту мощность можно найти, взяв производную накопленной энергии по времени:

Соотношение тока и напряжения

Ток I (t) через любой компонент в электрической цепи определяется как скорость потока заряда Q (t), проходящего через него, но фактические заряды — электроны — не могут пройти через диэлектрический слой конденсатора.Скорее, один электрон накапливается на отрицательной пластине для каждого электрона, покидающего положительную пластину, что приводит к истощению электронов и последующему положительному заряду на одном электроде, который равен накопленному отрицательному заряду на другом и противоположен ему. Таким образом, заряд на электродах равен интегралу тока, а также пропорционален напряжению, как обсуждалось выше. Как и в случае с любой первообразной, добавляется постоянная интегрирования, чтобы представить начальное напряжение V (t0). Это интегральная форма уравнения конденсатора:

Взяв производную от этого и умножив на C, получим производную форму:

Двойной конденсатор — это индуктор, который накапливает энергию в магнитном поле, а не в электрическом поле.Его отношение тока к напряжению получается путем обмена током и напряжением в уравнениях конденсатора и замены C на индуктивность L.

Цепи постоянного тока

Простая схема резистор-конденсатор демонстрирует заряд конденсатора.

Последовательная цепь, содержащая только резистор, конденсатор, переключатель и источник постоянного напряжения V0, известна как цепь зарядки. Если конденсатор изначально не заряжен при разомкнутом переключателе, а переключатель замкнут в момент t0, из закона напряжения Кирхгофа следует, что

Взяв производную и умножив на C, получим дифференциальное уравнение первого порядка:

При t = 0 напряжение на конденсаторе равно нулю, а напряжение на резисторе равно V0.Тогда начальный ток равен I (0) = V0 / R. При таком предположении решение дифференциального уравнения дает

где τ0 = RC — постоянная времени системы. Когда конденсатор достигает равновесия с источником напряжения, напряжения на резисторе и ток во всей цепи экспоненциально затухают. Случай разряда заряженного конденсатора также демонстрирует экспоненциальный спад, но с начальным напряжением конденсатора, заменяющим V0, и конечным напряжением, равным нулю.

Цепи переменного тока

См. Также: реактивное сопротивление (электроника) и электрическое сопротивление § Определение импеданса устройства

Импеданс, векторная сумма реактивного сопротивления и сопротивления, описывает разность фаз и отношение амплитуд между синусоидально изменяющимся напряжением и синусоидально изменяющимся током на заданной частоте. Анализ Фурье позволяет построить любой сигнал из спектра частот, откуда можно определить реакцию схемы на различные частоты.Реактивное сопротивление и импеданс конденсатора соответственно

где j — мнимая единица, а ω — угловая частота синусоидального сигнала. Фаза -j указывает, что переменное напряжение V = ZI отстает от переменного тока на 90 °: положительная фаза тока соответствует увеличению напряжения по мере заряда конденсатора; нулевой ток соответствует мгновенному постоянному напряжению и т. д.

Импеданс уменьшается с увеличением емкости и частоты. Это означает, что более высокочастотный сигнал или больший конденсатор приводят к более низкой амплитуде напряжения на амплитуду тока — «короткое замыкание» переменного тока или связь по переменному току.И наоборот, для очень низких частот реактивное сопротивление будет высоким, так что конденсатор является почти разомкнутой цепью при анализе переменного тока — эти частоты были «отфильтрованы».

Конденсаторы отличаются от резисторов и катушек индуктивности тем, что полное сопротивление обратно пропорционально определяющей характеристике; т.е. емкость.

Конденсатор, подключенный к источнику синусоидального напряжения, вызывает протекание через него тока смещения. В случае, если источником напряжения является V0cos (ωt), ток смещения можно выразить как:

При sin (ωt) = -1 конденсатор имеет максимальный (или пиковый) ток, в результате чего I0 = ωCV0.Отношение пикового напряжения к пиковому току обусловлено емкостным реактивным сопротивлением (обозначается XC).

XC стремится к нулю, когда ω приближается к бесконечности. Если XC приближается к 0, конденсатор напоминает короткий провод, который сильно пропускает ток на высоких частотах. XC стремится к бесконечности, когда ω приближается к нулю. Если XC приближается к бесконечности, конденсатор напоминает разомкнутую цепь, плохо пропускающую низкие частоты.

Ток конденсатора может быть выражен в форме косинусов для лучшего сравнения с напряжением источника:

В этой ситуации ток не в фазе с напряжением на + π / 2 радиан или +90 градусов (т.е.е., ток будет опережать напряжение на 90 °).

Анализ цепи Лапласа (s-домен)

При использовании преобразования Лапласа в анализе цепей полное сопротивление идеального конденсатора без начального заряда представлено в области s как:

где

• C — емкость, а
• с — комплексная частота.

Модель с параллельными пластинами

Диэлектрик помещен между двумя токопроводящими пластинами, каждая площадью A, с расстоянием d

Самая простая модель конденсатора состоит из двух тонких параллельных проводящих пластин, разделенных диэлектриком с проницаемостью ε.Эта модель также может быть использована для качественных прогнозов для других геометрий устройства. Считается, что пластины проходят равномерно по площади A, и на их поверхности существует плотность заряда ± ρ = ± Q / A. Если предположить, что длина и ширина пластин намного больше, чем расстояние между ними d, электрическое поле вблизи центра устройства будет однородным с величиной E = ρ / ε. Напряжение определяется как линейный интеграл электрического поля между пластинами

.

Решение этого вопроса для C = Q / V показывает, что емкость увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшается по мере увеличения расстояния между пластинами.

Следовательно, емкость наибольшая в устройствах, изготовленных из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, большой площадью пластины и малым расстоянием между пластинами.

Конденсатор с параллельными пластинами может накапливать только конечное количество энергии до того, как произойдет пробой диэлектрика. Диэлектрический материал конденсатора имеет диэлектрическую прочность Ud, которая устанавливает напряжение пробоя конденсатора на уровне V = Vbd = Udd. Таким образом, максимальная энергия, которую может хранить конденсатор, составляет

Максимальная энергия зависит от диэлектрического объема, диэлектрической проницаемости и диэлектрической прочности.Изменение площади пластин и расстояния между пластинами при сохранении того же объема не приводит к изменению максимального количества энергии, которое может хранить конденсатор, пока расстояние между пластинами остается намного меньше, чем длина и ширина пластин. Кроме того, эти уравнения предполагают, что электрическое поле полностью сосредоточено в диэлектрике между пластинами. На самом деле за пределами диэлектрика, например, между сторонами обкладок конденсатора, есть окаймляющие поля, которые увеличивают эффективную емкость конденсатора.Иногда это называют паразитной емкостью. Для некоторых простых конфигураций конденсаторов этот дополнительный емкостной член может быть вычислен аналитически. Он становится пренебрежимо малым, когда отношения ширины пластины к разделению и длины к разделению велики.

Сети

Несколько конденсаторов параллельно

Для конденсаторов, включенных параллельно

Конденсаторы в параллельной конфигурации имеют одинаковое приложенное напряжение. Их емкости складываются.Плата распределяется между ними по размеру. Используя схематическую диаграмму для визуализации параллельных пластин, очевидно, что каждый конденсатор вносит свой вклад в общую площадь поверхности.

Для последовательных конденсаторов

Несколько конденсаторов последовательно

При последовательном соединении схематическая диаграмма показывает, что складывается разделительное расстояние, а не площадь пластины. Каждый конденсатор накапливает мгновенный заряд, равный заряду любого другого конденсатора в серии.Общая разница напряжений от конца до конца распределяется между каждым конденсатором в соответствии с величиной, обратной его емкости. Вся серия действует как конденсатор меньшего размера, чем любой из ее компонентов.

Конденсаторы соединены последовательно для достижения более высокого рабочего напряжения, например, для сглаживания высоковольтного источника питания. Значения напряжения, основанные на расстоянии между пластинами, суммируются, если емкость и токи утечки для каждого конденсатора идентичны. В таком приложении иногда последовательно соединяются параллельно, образуя матрицу.Цель состоит в том, чтобы максимально увеличить запас энергии в сети без перегрузки конденсатора. Для накопления большой энергии с последовательными конденсаторами необходимо принять некоторые меры безопасности, чтобы гарантировать, что один конденсатор выйдет из строя, и ток утечки не приложит слишком большое напряжение к другим последовательным конденсаторам.

Соединение серии

также иногда используется для адаптации поляризованных электролитических конденсаторов для использования с биполярным переменным током.

Распределение напряжения в параллельных сетях.

Для моделирования распределения напряжений от одного заряженного конденсатора, подключенного параллельно цепи конденсаторов, включенных последовательно:

Примечание : Это верно, только если все значения емкости равны.

Мощность, передаваемая при таком расположении:

Неидеальное поведение

Конденсаторы отклоняются от уравнения идеального конденсатора по нескольким причинам. Некоторые из них, такие как ток утечки и паразитные эффекты, являются линейными или могут считаться линейными, и с ними можно справиться путем добавления виртуальных компонентов в эквивалентную схему конденсатора. Затем можно применить обычные методы сетевого анализа. В других случаях, например, при напряжении пробоя, эффект нелинейный и нормальный (т.е.е., линейный) сетевой анализ использовать нельзя, с эффектом нужно разбираться отдельно. Есть еще одна группа, которая может быть линейной, но опровергает допущение анализа о том, что емкость является постоянной величиной. Таким примером является температурная зависимость. Наконец, комбинированные паразитные эффекты, такие как собственная индуктивность, сопротивление или диэлектрические потери, могут проявлять неоднородное поведение при переменных рабочих частотах.

Напряжение пробоя

Выше определенного электрического поля, известного как диэлектрическая прочность Eds, диэлектрик в конденсаторе становится проводящим.Напряжение, при котором это происходит, называется напряжением пробоя устройства и определяется как произведение электрической прочности изоляции и расстояния между проводниками,

Максимальная энергия, которая может безопасно храниться в конденсаторе, ограничена напряжением пробоя. Из-за масштабирования емкости и напряжения пробоя в зависимости от толщины диэлектрика все конденсаторы, изготовленные из определенного диэлектрика, имеют примерно одинаковую максимальную плотность энергии в той степени, в которой диэлектрик доминирует в их объеме.

Для воздушных диэлектрических конденсаторов напряженность поля пробоя составляет от 2 до 5 МВ / м; для слюды пробой от 100 до 300 МВ / м; для масла от 15 до 25 МВ / м; он может быть намного меньше, если для диэлектрика используются другие материалы. Диэлектрик используется в виде очень тонких слоев, поэтому абсолютное напряжение пробоя конденсаторов ограничено. Типичные характеристики конденсаторов, используемых в общей электронике, варьируются от нескольких вольт до 1 кВ. По мере увеличения напряжения диэлектрик должен становиться толще, что делает высоковольтные конденсаторы больше на единицу емкости, чем рассчитанные на более низкое напряжение.На напряжение пробоя критически влияют такие факторы, как геометрия проводящих частей конденсатора; острые кромки или острие увеличивают напряженность электрического поля в этой точке и могут привести к локальному пробою. Как только это начинает происходить, пробой быстро проходит через диэлектрик, пока не достигает противоположной пластины, оставляя углерод позади и вызывая короткое замыкание (или относительно низкое сопротивление). Результат может быть взрывоопасным, поскольку короткое замыкание в конденсаторе потребляет ток от окружающей схемы и рассеивает энергию.

Обычный путь пробоя состоит в том, что напряженность поля становится достаточно большой, чтобы оттягивать электроны в диэлектрике от их атомов, вызывая проводимость. Возможны и другие сценарии, такие как примеси в диэлектрике, и, если диэлектрик имеет кристаллическую природу, недостатки в кристаллической структуре могут привести к лавинному пробою, как это наблюдается в полупроводниковых устройствах. На напряжение пробоя также влияют давление, влажность и температура.

Эквивалентная схема

Две разные модели схемы реального конденсатора

Идеальный конденсатор только накапливает и выделяет электрическую энергию, не рассеивая ее.На самом деле все конденсаторы имеют дефекты в материале конденсатора, которые создают сопротивление. Это определяется как эквивалентное последовательное сопротивление или ESR компонента. Это добавляет реальный компонент к импедансу:

Когда частота приближается к бесконечности, емкостное сопротивление (или реактивное сопротивление) приближается к нулю, и ESR становится значительным. Когда реактивное сопротивление становится незначительным, приближается рассеиваемая мощность.

Аналогично ESR, выводы конденсатора добавляют компоненту эквивалентную последовательную индуктивность или ESL.Обычно это имеет значение только на относительно высоких частотах. Поскольку индуктивное реактивное сопротивление положительно и увеличивается с частотой, емкость выше определенной частоты будет компенсирована индуктивностью. Высокочастотная техника предполагает учет индуктивности всех соединений и компонентов.

Если проводники разделены материалом с небольшой проводимостью, а не идеальным диэлектриком, то небольшой ток утечки протекает непосредственно между ними. Следовательно, конденсатор имеет конечное параллельное сопротивление и со временем медленно разряжается (время может сильно варьироваться в зависимости от материала и качества конденсатора).

Q-фактор

Добротность (или добротность) конденсатора — это отношение его реактивного сопротивления к сопротивлению на данной частоте и является мерой его эффективности. Чем выше добротность конденсатора, тем ближе он к поведению идеального конденсатора без потерь.

Добротность конденсатора можно найти по следующей формуле:

где — угловая частота, — емкость, — емкостное сопротивление, — последовательное сопротивление конденсатора.

Пульсация тока

Пульсации тока — это составляющая переменного тока подключенного источника (часто импульсного источника питания), частота которого может быть постоянной или изменяющейся. Пульсация тока вызывает выделение тепла внутри конденсатора из-за диэлектрических потерь, вызванных изменением напряженности поля вместе с током, протекающим по слабо резистивным линиям питания или электролиту в конденсаторе. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — это количество внутреннего последовательного сопротивления, которое можно добавить к идеальному конденсатору, чтобы смоделировать это.Некоторые типы конденсаторов, в первую очередь танталовые и алюминиевые электролитические конденсаторы, а также некоторые пленочные конденсаторы имеют указанное номинальное значение для максимального тока пульсаций.

• Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом из диоксида марганца ограничены током пульсаций и, как правило, имеют самые высокие значения ESR в семействе конденсаторов. Превышение их пределов пульсации может привести к короткому замыканию и возгоранию деталей.
• Алюминиевые электролитические конденсаторы, наиболее распространенный тип электролитических конденсаторов, имеют сокращение срока службы при более высоких токах пульсаций.Если ток пульсаций превышает номинальное значение конденсатора, это может привести к взрывному отказу.
Керамические конденсаторы
• обычно не имеют ограничения пульсирующего тока и имеют одни из самых низких значений ESR.
Пленочные конденсаторы
• имеют очень низкие значения ESR, но превышение номинального тока пульсаций может вызвать ухудшение характеристик.

Нестабильность емкости

Емкость некоторых конденсаторов уменьшается с возрастом компонента. В керамических конденсаторах это вызвано деградацией диэлектрика.Тип диэлектрика, рабочая температура окружающей среды и температура хранения являются наиболее значительными факторами старения, в то время как рабочее напряжение оказывает меньшее влияние. Процесс старения можно обратить, нагревая компонент выше точки Кюри. Старение происходит быстрее всего в начале срока службы компонента, и устройство со временем стабилизируется. Электролитические конденсаторы стареют по мере испарения электролита. В отличие от керамических конденсаторов это происходит ближе к концу срока службы компонента.

Температурная зависимость емкости обычно выражается в миллионных долях (ppm) на ° C.Обычно ее можно рассматривать как в целом линейную функцию, но она может быть заметно нелинейной при экстремальных температурах. Температурный коэффициент может быть как положительным, так и отрицательным, иногда даже между разными образцами одного и того же типа. Другими словами, разброс в диапазоне температурных коэффициентов может доходить до нуля.

Конденсаторы, особенно керамические конденсаторы, а также конденсаторы более старых конструкций, такие как бумажные, могут поглощать звуковые волны, что приводит к возникновению микрофонного эффекта. Вибрация перемещает пластины, вызывая изменение емкости, в свою очередь вызывая переменный ток.Некоторые диэлектрики также генерируют пьезоэлектричество. Возникающие в результате помехи особенно опасны в аудиоприложениях, потенциально вызывая обратную связь или непреднамеренную запись. В обратном микрофонном эффекте изменяющееся электрическое поле между пластинами конденсатора оказывает физическую силу, перемещая их как динамик. Это может генерировать слышимый звук, но истощает энергию и подвергает нагрузку диэлектрик и электролит, если таковые имеются.

Реверс тока и напряжения

Реверс тока происходит, когда ток меняет направление.Реверс напряжения — это изменение полярности в цепи. Инверсия обычно описывается как процент от максимального номинального напряжения, полярность которого меняется на противоположную. В цепях постоянного тока это обычно меньше 100% (часто в диапазоне от 0 до 90%), тогда как в цепях переменного тока происходит 100% реверсирование.

В цепях постоянного тока и импульсных цепях на изменение направления тока и напряжения влияет демпфирование системы. Реверс напряжения встречается в цепях RLC с недостаточным демпфированием. Ток и напряжение меняют направление, образуя гармонический осциллятор между индуктивностью и емкостью.Ток и напряжение будут иметь тенденцию к колебаниям и могут менять направление несколько раз, причем каждый пик будет ниже предыдущего, пока система не достигнет равновесия. Это часто называют звонком. Для сравнения, в системах с критическим демпфированием или избыточным демпфированием обычно не происходит реверсирования напряжения. Реверс также встречается в цепях переменного тока, где пиковый ток будет одинаковым в каждом направлении.

Для максимального срока службы конденсаторы обычно должны выдерживать максимальное количество реверсий, которое может испытывать система.В цепи переменного тока будет 100% реверс напряжения, а в цепях постоянного тока с недостаточным демпфированием — менее 100%. Инверсия создает избыточные электрические поля в диэлектрике, вызывает избыточный нагрев как диэлектрика, так и проводников, и может значительно сократить ожидаемый срок службы конденсатора. Номинальные значения реверсирования часто влияют на конструктивные особенности конденсатора, от выбора диэлектрических материалов и номинальных значений напряжения до типов используемых внутренних соединений.

Диэлектрическое поглощение

Конденсаторы, изготовленные из любого типа диэлектрического материала, будут иметь некоторый уровень «диэлектрического поглощения» или «пропитывания».При разрядке конденсатора и его отключении через короткое время на нем может появиться напряжение из-за гистерезиса в диэлектрике. Этот эффект может быть нежелательным в таких приложениях, как прецизионные схемы выборки и хранения или схемы синхронизации. Уровень поглощения зависит от многих факторов, от конструктивных соображений до времени зарядки, поскольку поглощение зависит от времени. Однако главным фактором является тип диэлектрического материала. Конденсаторы, такие как танталовые электролитические или полисульфоновые пленки, демонстрируют очень высокое поглощение, в то время как полистирол или тефлон допускают очень низкие уровни поглощения.В некоторых конденсаторах, где существуют опасные напряжения и энергии, например, в лампах-вспышках, телевизорах и дефибрилляторах, диэлектрическое поглощение может перезарядить конденсатор до опасного напряжения после того, как он был закорочен или разряжен. Любой конденсатор, содержащий более 10 джоулей энергии, обычно считается опасным, а 50 джоулей или более потенциально смертельным. Конденсатор может восстановить от 0,01 до 20% своего первоначального заряда в течение нескольких минут, в результате чего кажущийся безопасным конденсатор станет удивительно опасным.

Утечка

Утечка эквивалентна резистору, включенному параллельно конденсатору. Постоянное воздействие тепла может вызвать пробой диэлектрика и чрезмерную утечку, проблема, часто встречающаяся в старых схемах электронных ламп, особенно там, где использовались промасленные бумажные и фольговые конденсаторы. Во многих схемах с электронными лампами межкаскадные разделительные конденсаторы используются для передачи переменного сигнала от пластины одной лампы к сеточной цепи следующего каскада. Избыточный конденсатор может вызвать повышение напряжения цепи сети по сравнению с его нормальным значением смещения, вызывая чрезмерный ток или искажение сигнала в выходной трубке.В усилителях мощности это может привести к тому, что пластины будут светиться красным, а токоограничивающие резисторы могут перегреться и даже выйти из строя. Аналогичные соображения применимы к компонентным твердотельным (транзисторным) усилителям, но из-за меньшего тепловыделения и использования современных полиэфирных диэлектрических барьеров эта некогда распространенная проблема стала относительно редкой.

Электролитический отказ из-за неиспользования

Алюминиевые электролитические конденсаторы кондиционируются при производстве путем подачи напряжения, достаточного для инициирования надлежащего внутреннего химического состояния.Это состояние поддерживается регулярным использованием оборудования. Раньше, примерно в 1980-х годах, если система, в которой использовались электролитические конденсаторы, не использовалась в течение длительного периода времени, она могла выйти из строя. Иногда они выходят из строя из-за короткого замыкания при следующей эксплуатации.

Типы конденсаторов

Практические конденсаторы доступны во многих различных формах. Тип внутреннего диэлектрика, структура пластин и упаковка устройства сильно влияют на характеристики конденсатора и его применение.

Доступные значения варьируются от очень низких (пикофарад; в принципе возможны произвольно низкие значения, паразитная емкость в любой цепи является ограничивающим фактором) до суперконденсаторов примерно 5 кФ.

Обычно используются электролитические конденсаторы емкостью более 1 мкФ из-за их небольшого размера и низкой стоимости по сравнению с другими типами, если их относительно низкая стабильность, срок службы и поляризованный характер делают их непригодными. В суперконденсаторах очень большой емкости используется пористый электродный материал на основе углерода.

Диэлектрические материалы

С любезного разрешения Benutzer: Aka

Конденсаторные материалы. Слева направо: многослойная керамика, керамический диск, многослойная полиэфирная пленка, трубчатая керамика, полистирол, металлизированная полиэфирная пленка, электролитический алюминий. Основные деления шкалы указаны в сантиметрах.

Большинство типов конденсаторов содержат диэлектрическую прокладку, увеличивающую их емкость. Эти диэлектрики чаще всего являются изоляторами.Однако доступны устройства с низкой емкостью с вакуумом между пластинами, что позволяет работать с очень высоким напряжением и низкими потерями. Переменные конденсаторы с открытыми в атмосферу обкладками обычно использовались в схемах радионастройки. В более поздних конструкциях между подвижными и неподвижными пластинами используется диэлектрик из полимерной фольги без значительного воздушного пространства между ними.

Чтобы максимально увеличить заряд, который может удерживать конденсатор, диэлектрический материал должен иметь как можно более высокую диэлектрическую проницаемость, а также как можно более высокое напряжение пробоя.

Доступно несколько твердых диэлектриков, включая бумагу, пластик, стекло, слюду и керамические материалы. Бумага широко использовалась в старых устройствах и обеспечивает относительно высокие характеристики напряжения. Однако он чувствителен к водопоглощению и был в значительной степени заменен конденсаторами с пластиковой пленкой. Пластмассы обеспечивают лучшую стабильность и характеристики старения, что делает их полезными в схемах таймера, хотя они могут быть ограничены низкими рабочими температурами и частотами. Керамические конденсаторы, как правило, небольшие, дешевые и полезные для высокочастотных приложений, хотя их емкость сильно зависит от напряжения и они плохо изнашиваются.В целом они классифицируются как диэлектрики 1-го класса, у которых есть предсказуемые изменения емкости в зависимости от температуры, или диэлектрики 2-го класса, которые могут работать при более высоком напряжении. Стеклянные и слюдяные конденсаторы чрезвычайно надежны, стабильны и устойчивы к высоким температурам и напряжениям, но слишком дороги для большинства основных приложений. Электролитические конденсаторы и суперконденсаторы используются для хранения небольшого и большего количества энергии, соответственно, керамические конденсаторы часто используются в резонаторах, а паразитная емкость возникает в цепях, где бы простая структура проводник-изолятор-проводник непреднамеренно формируется конфигурацией макета схемы. .

В электролитических конденсаторах используется пластина из алюминия или тантала с оксидным диэлектрическим слоем. Второй электрод представляет собой жидкий электролит, подключенный к цепи другой фольгированной пластиной. Электролитические конденсаторы обладают очень высокой емкостью, но страдают от плохих допусков, высокой нестабильности, постепенной потери емкости, особенно под воздействием тепла, и высокого тока утечки. Конденсаторы низкого качества могут вызвать утечку электролита, который вреден для печатных плат. Электропроводность электролита падает при низких температурах, что увеличивает эквивалентное последовательное сопротивление.Несмотря на то, что они широко используются для кондиционирования источников питания, плохие высокочастотные характеристики делают их непригодными для многих приложений. Электролитические конденсаторы будут саморазлагаться, если они не будут использоваться в течение определенного периода (около года), а при подаче полной мощности может произойти короткое замыкание, необратимо повредив конденсатор и, как правило, перегорающий предохранитель или выход из строя выпрямительных диодов (например, в старом оборудовании, искрение в выпрямительных трубках). Их можно восстановить перед использованием (и повреждением) путем постепенного приложения рабочего напряжения, что часто делается на старинном ламповом оборудовании в течение 30 минут с использованием переменного трансформатора для подачи питания переменного тока.К сожалению, использование этого метода может быть менее удовлетворительным для некоторого твердотельного оборудования, которое может быть повреждено при работе ниже его нормального диапазона мощности, требуя, чтобы источник питания сначала был изолирован от потребляющих цепей. Такие средства могут быть неприменимы к современным высокочастотным источникам питания, поскольку они обеспечивают полное выходное напряжение даже при пониженном входном сигнале.

Танталовые конденсаторы обладают лучшими частотными и температурными характеристиками, чем алюминиевые, но имеют более высокое диэлектрическое поглощение и утечку.

В полимерных конденсаторах

(OS-CON, OC-CON, KO, AO) в качестве электролита используется твердый проводящий полимер (или полимеризованный органический полупроводник), они обеспечивают более длительный срок службы и более низкое ESR при более высокой стоимости, чем стандартные электролитические конденсаторы.

Проходной конденсатор — это компонент, который, хотя и не используется в основном, имеет емкость и используется для передачи сигналов через проводящий лист.

Для специального применения доступны несколько других типов конденсаторов. Суперконденсаторы хранят большое количество энергии.Суперконденсаторы, изготовленные из углеродного аэрогеля, углеродных нанотрубок или высокопористых электродных материалов, обладают чрезвычайно высокой емкостью (до 5 кФ по состоянию на 2010 г.) и могут использоваться в некоторых приложениях вместо аккумуляторных батарей. Конденсаторы переменного тока специально разработаны для работы в цепях питания переменного тока с линейным (сетевым) напряжением. Они обычно используются в цепях электродвигателей и часто предназначены для работы с большими токами, поэтому имеют тенденцию быть физически большими. Обычно они прочно упакованы, часто в металлических корпусах, которые можно легко заземлить.Они также рассчитаны на напряжение пробоя постоянного тока, по крайней мере, в пять раз превышающее максимальное напряжение переменного тока.

Структура

Пакеты конденсаторов: керамический SMD вверху слева; Тантал SMD внизу слева; сквозное отверстие в тантале вверху справа; сквозной электролитик внизу справа. Основные деления шкалы — см.

Расположение пластин и диэлектрика может быть различным в зависимости от требуемых номиналов конденсатора.Для небольших значений емкости (микрофарад и менее) в керамических дисках используется металлическое покрытие с проволочными выводами, прикрепленными к покрытию. Большие значения могут быть получены с помощью нескольких стопок пластин и дисков. В конденсаторах большей емкости обычно используется металлическая фольга или слой металлической пленки, нанесенный на поверхность диэлектрической пленки для изготовления пластин, и диэлектрическая пленка из пропитанной бумаги или пластика — они свернуты для экономии места. Чтобы уменьшить последовательное сопротивление и индуктивность для длинных пластин, пластины и диэлектрик расположены в шахматном порядке, так что соединение выполняется на общем крае свернутых пластин, а не на концах фольги или полос металлизированной пленки, составляющих пластины.

Узел заключен в кожух для предотвращения попадания влаги в диэлектрик — в раннем радиооборудовании использовалась картонная трубка, запечатанная воском. Современные бумажные или пленочные диэлектрические конденсаторы погружены в твердый термопласт. Конденсаторы большой емкости для использования с высоким напряжением могут иметь форму рулона, сжатую для размещения в прямоугольном металлическом корпусе с болтовыми выводами и втулками для соединений. Диэлектрик в конденсаторах большей емкости часто пропитывают жидкостью для улучшения его свойств.

С любезного разрешения Mataresephotos

Несколько аксиально-выводных электролитических конденсаторов

Конденсаторы могут иметь свои соединительные выводы, расположенные во многих конфигурациях, например, в осевом или радиальном направлении.«Осевой» означает, что выводы расположены на общей оси, обычно оси цилиндрического корпуса конденсатора — выводы проходят с противоположных концов. Радиальные отведения можно было бы более точно назвать тандемными; они редко фактически выровнены по радиусам окружности тела, поэтому термин неточный, хотя и универсальный. Выводы (пока они не изогнуты) обычно расположены в плоскостях, параллельных плоскости плоского корпуса конденсатора, и проходят в том же направлении; они часто параллельны при изготовлении.

Маленькие дешевые дискоидальные керамические конденсаторы существуют с 1930-х годов и до сих пор широко используются.С 1980-х годов широко используются корпуса для поверхностного монтажа конденсаторов. Эти корпуса чрезвычайно малы и не имеют соединительных выводов, что позволяет их припаять непосредственно к поверхности печатных плат. Компоненты для поверхностного монтажа предотвращают нежелательные высокочастотные эффекты из-за проводов и упрощают автоматическую сборку, хотя ручная обработка затруднена из-за их небольшого размера.

Конденсаторы переменной емкости с механическим управлением позволяют регулировать расстояние между пластинами, например, вращая или сдвигая набор подвижных пластин для совмещения с набором неподвижных пластин.Недорогие переменные конденсаторы сжимают винтом чередующиеся слои алюминия и пластика. Электрический контроль емкости достигается с помощью варакторов (или варикапов), которые представляют собой полупроводниковые диоды с обратным смещением, ширина обедненной области которых изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Среди прочего, они используются в контурах фазовой автоподстройки частоты.

Маркировка конденсатора

На корпусе большинства конденсаторов нанесены цифры, указывающие на их электрические характеристики.Конденсаторы большего размера, такие как электролитические, обычно показывают фактическую емкость вместе с единицей измерения (например, 220 мкФ). Конденсаторы меньшего размера, такие как керамические, однако, используют сокращение, состоящее из трех цифровых цифр и буквы, где цифры указывают емкость в пФ (рассчитывается как XY × 10Z для цифр XYZ), а буква указывает допуск (J, K или M для ± 5%, ± 10% и ± 20% соответственно).

Кроме того, конденсатор может показывать свое рабочее напряжение, температуру и другие соответствующие характеристики.

По типографским причинам некоторые производители печатают на конденсаторах «MF» для обозначения микрофарад (мкФ).

Пример

Конденсатор с надписью 473K 330V на корпусе имеет емкость 47 × 103 пФ = 47 нФ (± 10%) с рабочим напряжением 330 В. Рабочее напряжение конденсатора — это максимальное напряжение, которое может быть приложено к нему. это без чрезмерного риска разрушения диэлектрического слоя.

Приложения

Этот майларовый пленочный масляный конденсатор имеет очень низкую индуктивность и низкое сопротивление, что обеспечивает высокую мощность (70 мегаватт) и высокую скорость (1.2 микросекунды) разряда, необходимого для работы лазера на красителях.

Накопитель энергии

Конденсатор может накапливать электроэнергию при отключении от зарядной цепи, поэтому его можно использовать как временную батарею или как другие типы перезаряжаемых систем накопления энергии. Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания питания во время замены батарей. (Это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти.)

Обычные конденсаторы обеспечивают менее 360 джоулей на килограмм удельной энергии, тогда как обычная щелочная батарея имеет плотность 590 кДж / кг.

В автомобильных аудиосистемах большие конденсаторы накапливают энергию для использования усилителем по требованию. Также для импульсной лампы используется конденсатор для удержания высокого напряжения.

Импульсное питание и оружие

Группы больших, специально сконструированных высоковольтных конденсаторов с низкой индуктивностью (конденсаторные батареи) используются для подачи мощных импульсов тока во многих импульсных источниках питания. К ним относятся электромагнитное формирование, генераторы Маркса, импульсные лазеры (особенно TEA-лазеры), сети формирования импульсов, радары, термоядерные исследования и ускорители частиц.

Большие конденсаторные батареи (резервуары) используются в качестве источников энергии для взрывных детонаторов или ударных детонаторов в ядерном оружии и другом специальном оружии. Ведутся экспериментальные работы по использованию батарей конденсаторов в качестве источников питания для электромагнитной брони и электромагнитных рельсотронов и койлганов.

Кондиционер

С любезного разрешения Даниэля Кристенсена

Накопительные конденсаторы используются в источниках питания, где они сглаживают выход полнополупериодного или полуволнового выпрямителя.Они также могут использоваться в схемах накачки заряда в качестве элемента накопления энергии при генерации более высоких напряжений, чем входное напряжение.

Конденсаторы подключаются параллельно к силовым цепям большинства электронных устройств и более крупных систем (например, заводов), чтобы отводить и скрывать колебания тока от первичного источника питания, чтобы обеспечить «чистый» источник питания для сигнальных или управляющих цепей. Аудиооборудование, например, использует несколько конденсаторов таким образом, чтобы отводить гудение линии электропередачи до того, как он попадет в сигнальную цепь.Конденсаторы действуют как локальный резерв для источника постоянного тока и отводят переменные токи от источника питания. Это используется в автомобильных аудиосистемах, когда конденсатор жесткости компенсирует индуктивность и сопротивление выводов свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора.

Коррекция коэффициента мощности

Высоковольтная конденсаторная батарея, используемая для коррекции коэффициента мощности в системе передачи энергии

В распределении электроэнергии конденсаторы используются для коррекции коэффициента мощности.Такие конденсаторы часто представляют собой три конденсатора, подключенных к трехфазной нагрузке. Обычно значения этих конденсаторов указываются не в фарадах, а скорее как реактивная мощность в вольт-амперах реактивной (вар). Цель состоит в том, чтобы противодействовать индуктивной нагрузке от таких устройств, как электродвигатели и линии передачи, чтобы нагрузка выглядела в основном резистивной. Отдельные моторные или ламповые нагрузки могут иметь конденсаторы для коррекции коэффициента мощности, или большие наборы конденсаторов (обычно с устройствами автоматического переключения) могут быть установлены в центре нагрузки в здании или на большой подстанции.

Глушитель и муфта

Муфта сигнальная

С любезного разрешения Mataresephotos

Конденсаторы с полиэфирной пленкой часто используются в качестве конденсаторов связи.

Поскольку конденсаторы пропускают переменный ток, но блокируют сигналы постоянного тока (когда заряжаются до приложенного постоянного напряжения), они часто используются для разделения компонентов переменного и постоянного тока в сигнале. Этот метод известен как связь по переменному току или «емкостная связь».Здесь используется большое значение емкости, значение которой не нужно точно контролировать, но чье реактивное сопротивление мало на частоте сигнала.

Развязка

Разделительный конденсатор — это конденсатор, используемый для защиты одной части схемы от воздействия другой, например, для подавления шума или переходных процессов. Шум, вызванный другими элементами схемы, шунтируется через конденсатор, уменьшая их влияние на остальную часть схемы. Чаще всего используется между источником питания и землей.Альтернативное название — шунтирующий конденсатор, поскольку он используется для шунтирования источника питания или другого компонента схемы с высоким импедансом.

Разделительные конденсаторы не всегда должны быть дискретными компонентами. Конденсаторы, используемые в этих приложениях, могут быть встроены в печатную плату между различными слоями. Их часто называют встроенными конденсаторами. Слои на плате, способствующие емкостным свойствам, также функционируют как плоскости питания и заземления и имеют между собой диэлектрик, что позволяет им работать как конденсатор с параллельными пластинами.

Фильтры высоких и низких частот

Шумоподавление, шипы и демпферы

Когда индуктивная цепь разомкнута, ток через индуктивность быстро падает, создавая большое напряжение в разомкнутой цепи переключателя или реле. Если индуктивность достаточно велика, энергия вызовет искру, в результате чего точки контакта будут окисляться, портиться или иногда свариваться вместе, или разрушать твердотельный переключатель. Демпферный конденсатор во вновь разомкнутой цепи создает путь для этого импульса, чтобы обойти точки контакта, тем самым сохраняя их жизнь; они обычно использовались, например, в системах зажигания с контактным выключателем.Точно так же в схемах меньшего размера искры может быть недостаточно, чтобы повредить переключатель, но все же будут излучаться нежелательные радиочастотные помехи (RFI), которые поглощает конденсатор фильтра. Демпферные конденсаторы обычно используются с последовательно включенным резистором с низким номиналом, чтобы рассеивать энергию и минимизировать радиопомехи. Такие комбинации резистор-конденсатор доступны в одном корпусе.

Конденсаторы также используются параллельно для прерывания блоков высоковольтного выключателя, чтобы равномерно распределить напряжение между этими блоками.В этом случае их называют градуировочными конденсаторами.

На схематических диаграммах конденсатор, используемый в основном для накопления заряда постоянного тока, часто изображен вертикально на принципиальных схемах с нижней, более отрицательной пластиной, изображенной в виде дуги. Прямая пластина указывает на положительный полюс устройства, если он поляризован.

Пускатели двигателя

В однофазных двигателях с короткозамкнутым ротором первичная обмотка в корпусе двигателя не может начать вращательное движение ротора, но может его поддерживать.Для запуска двигателя вторичная «пусковая» обмотка имеет последовательный неполяризованный пусковой конденсатор, который вводит синусоидальный ток в опережение. Когда вторичная (пусковая) обмотка расположена под углом к ​​первичной (рабочей) обмотке, создается вращающееся электрическое поле. Сила вращательного поля непостоянна, но достаточна для запуска вращения ротора. Когда ротор приближается к рабочей скорости, центробежный выключатель (или токо-чувствительное реле, включенное последовательно с основной обмоткой) отключает конденсатор.Пусковой конденсатор обычно устанавливается сбоку от корпуса двигателя. Они называются двигателями с конденсаторным пуском, которые имеют относительно высокий пусковой момент. Обычно они могут иметь пусковой момент в четыре раза больше, чем двигатель с расщепленной фазой, и используются в таких устройствах, как компрессоры, мойки высокого давления и любые небольшие устройства, требующие высоких пусковых моментов.

Конденсаторные асинхронные двигатели имеют постоянно подключенный фазосдвигающий конденсатор, соединенный последовательно со второй обмоткой.Двигатель очень похож на двухфазный асинхронный двигатель.

Пусковые конденсаторы электродвигателя обычно являются неполяризованными электролитическими типами, в то время как рабочие конденсаторы представляют собой обычные диэлектрические типы бумаги или пластиковой пленки.

Обработка сигналов

Энергия, запасенная в конденсаторе, может использоваться для представления информации либо в двоичной форме, как в DRAM, либо в аналоговой форме, как в аналоговых фильтрах с дискретизацией и ПЗС. Конденсаторы могут использоваться в аналоговых схемах в качестве компонентов интеграторов или более сложных фильтров, а также для стабилизации контура отрицательной обратной связи.В схемах обработки сигналов также используются конденсаторы для интеграции токового сигнала.

Настроенные схемы

Конденсаторы и катушки индуктивности используются вместе в настроенных схемах для выбора информации в определенных частотных диапазонах. Например, радиоприемники полагаются на переменные конденсаторы для настройки частоты станции. В динамиках используются пассивные аналоговые кроссоверы, а в аналоговых эквалайзерах используются конденсаторы для выбора различных звуковых диапазонов.

Резонансная частота f настроенного контура является функцией последовательно включенных индуктивности (L) и емкости (C) и определяется по формуле:

, где L в генри, а C в фарадах.

Обнаружение

Большинство конденсаторов предназначены для поддержания фиксированной физической структуры. Однако различные факторы могут изменить структуру конденсатора, и результирующее изменение емкости можно использовать для определения этих факторов.

Замена диэлектрика:

Эффекты изменения характеристик диэлектрика могут быть использованы для сенсорных целей. Конденсаторы с открытым пористым диэлектриком могут использоваться для измерения влажности воздуха. Конденсаторы используются для точного измерения уровня топлива в самолетах; по мере того, как топливо покрывает большую часть пары пластин, емкость цепи увеличивается.Сжатие диэлектрика может изменить конденсатор при давлении в несколько десятков бар в достаточной степени, чтобы его можно было использовать в качестве датчика давления. Выбранный, но в остальном стандартный полимерный диэлектрический конденсатор при погружении в совместимый газ или жидкость может с успехом работать как очень дешевый датчик давления до многих сотен бар.

Изменение расстояния между пластинами:

Конденсаторы с гибкой пластиной могут использоваться для измерения деформации или давления. В промышленных датчиках давления, используемых для управления технологическим процессом, используются чувствительные к давлению диафрагмы, которые образуют пластину конденсатора в цепи генератора.Конденсаторы используются в качестве датчика в конденсаторных микрофонах, где одна пластина перемещается под действием давления воздуха относительно фиксированного положения другой пластины. В некоторых акселерометрах используются конденсаторы MEMS, выгравированные на микросхеме, для измерения величины и направления вектора ускорения. Они используются для обнаружения изменений ускорения, в датчиках наклона или для обнаружения свободного падения в качестве датчиков, запускающих срабатывание подушки безопасности, и во многих других приложениях. В некоторых датчиках отпечатков пальцев используются конденсаторы. Кроме того, пользователь может регулировать высоту тона музыкального инструмента терменвокса, перемещая руку, поскольку это изменяет эффективную емкость между рукой пользователя и антенной.

Изменение полезной площади пластин:

Емкостные сенсорные переключатели теперь используются во многих бытовых электронных продуктах.

Генераторы

Пример простого генератора, для работы которого требуется конденсатор. Лицензия CC BY 3.0

Конденсатор в цепи генератора может обладать пружинными свойствами. В примере изображения конденсатор воздействует на напряжение смещения на базе npn-транзистора.Значения сопротивления резисторов делителя напряжения и значение емкости конденсатора вместе определяют частоту колебаний.

световой

Светоизлучающий конденсатор изготовлен из диэлектрика, который использует фосфоресценцию для получения света. Если одна из токопроводящих пластин сделана из прозрачного материала, свет будет виден. Светоизлучающие конденсаторы используются в конструкции электролюминесцентных панелей для таких приложений, как подсветка портативных компьютеров.В этом случае вся панель представляет собой конденсатор, используемый для генерации света.

Опасности и безопасность

Опасности, создаваемые конденсатором, обычно определяются, прежде всего, количеством запасенной энергии, которая является причиной таких вещей, как электрические ожоги или фибрилляция сердца. Такие факторы, как напряжение и материал корпуса, имеют второстепенное значение, они больше связаны с тем, насколько легко может быть инициирован электрический ток, а не с тем, сколько повреждений может произойти.

Конденсаторы могут сохранять заряд долгое время после отключения питания от цепи; этот заряд может вызвать опасные или даже потенциально смертельные удары током или повредить подключенное оборудование. Например, даже такое, казалось бы, безобидное устройство, как одноразовая вспышка, работающая от 1,5-вольтовой батареи AA, имеет конденсатор, который может содержать более 15 джоулей энергии и заряжаться до более чем 300 вольт. Это легко может вызвать шок. Процедуры обслуживания электронных устройств обычно включают инструкции по разрядке больших или высоковольтных конденсаторов, например, с помощью ручки Бринкли.Конденсаторы также могут иметь встроенные разрядные резисторы для рассеивания накопленной энергии до безопасного уровня в течение нескольких секунд после отключения питания. Высоковольтные конденсаторы хранятся с закороченными клеммами для защиты от потенциально опасных напряжений из-за диэлектрического поглощения или от переходных напряжений, которые конденсатор может получить из-за статических зарядов или погодных явлений.

Некоторые старые, большие масляные конденсаторы из бумаги или пластиковой пленки содержат полихлорированные бифенилы (ПХБ). Известно, что отходы ПХД могут попадать в грунтовые воды под свалками.Конденсаторы, содержащие ПХБ, были помечены как содержащие «Аскарел» и несколько других торговых наименований. Бумажные конденсаторы с ПХБ используются в очень старых (до 1975 г.) балластах люминесцентных ламп и в других устройствах.

Конденсаторы могут катастрофически выйти из строя при воздействии на них напряжений или токов, превышающих их номинальные значения, или при достижении нормального срока службы. Неисправности диэлектрических или металлических межсоединений могут вызвать искрение, которое испаряет диэлектрическую жидкость, что приводит к вздутию, разрыву или даже взрыву.Конденсаторы, используемые в ВЧ-устройствах или в системах с длительным током, могут перегреваться, особенно в центре катушек конденсаторов. Конденсаторы, используемые в высокоэнергетических батареях конденсаторов, могут сильно взорваться, когда короткое замыкание в одном конденсаторе вызывает внезапный сброс энергии, накопленной в остальной части батареи, в неисправный блок. Вакуумные конденсаторы высокого напряжения могут генерировать мягкое рентгеновское излучение даже при нормальной работе. Надлежащая локализация, предохранение и профилактическое обслуживание могут помочь свести к минимуму эти опасности.

Для высоковольтных конденсаторов

можно использовать предварительную зарядку для ограничения пусковых токов при включении цепей постоянного тока высокого напряжения (HVDC).Это продлит срок службы компонента и может снизить опасность высокого напряжения.

С любезного разрешения Frizb99

Катастрофический отказ

Источник: www.wikipedia.com

Конденсаторы, Часть 3 «Керамические конденсаторы [2]» ｜ Электроника ABC ｜ Журнал TDK Techno

Основные характеристики многослойных керамических чип-конденсаторов

Для правильного использования конденсаторов важно понимать их особые характеристики.В этом разделе объясняются некоторые из основных характеристик многослойных керамических конденсаторов для микросхем.

● Номинальное напряжение

Каждый конденсатор имеет определенный предел приложенного к нему напряжения. Номинальное напряжение относится к максимальному напряжению, которое может быть приложено во время постоянной работы, не вызывая проблем. Обычно номинальное напряжение указывается как постоянное напряжение, но для некоторых продуктов переменное напряжение также может быть указано как гарантированное значение.

● Ток утечки / сопротивление изоляции / пробой изоляции

Хотя конденсатор в принципе блокирует постоянный ток, на самом деле происходит небольшая утечка напряжения.Сопротивление изоляции — это величина, которая получается делением тока, протекающего в конденсаторе, на приложенное напряжение. Поскольку многослойные керамические конденсаторы микросхемы имеют высокое сопротивление изоляции, ток утечки не представляет проблемы в обычных приложениях. Однако при превышении номинального напряжения и дальнейшем повышении приложенного напряжения конденсатор в какой-то момент будет подвержен пробою изоляции.

● Tan δ (касательная дельта) ・ Q

В идеале конденсатор, используемый в цепи, не должен потреблять энергию, но на самом деле такие факторы, как диэлектрические потери конденсатора и удельное сопротивление электродов и выводных проводов (известное как ESR: эквивалентное последовательное сопротивление), вызывают потерю энергии.Это проявляется в фазовом сдвиге тока, протекающего в конденсаторе. В идеале разность фаз между напряжением, приложенным к конденсатору, и током составляет 90 градусов, но вышеупомянутые потери вызывают задержку, превышающую 90 градусов. Угол δ (угол потерь) этой задержки, выраженный тригонометрической функцией тангенса (положительное число), называется тангенсом δ (тангенс-дельта) или тангенсом диэлектрической проницаемости. Величина, обратная tan δ, известна как Q (коэффициент качества), который является показателем производительности конденсатора в высокочастотном диапазоне.

● Тепловые характеристики емкости

Многослойные керамические чип-конденсаторы, широко используемые в электронных устройствах, можно разделить на две основные категории в зависимости от их типа диэлектрика, а именно (1) тип с низкой диэлектрической проницаемостью и (2) тип с высокой диэлектрической постоянной. Они могут быть далее подразделены по тепловым характеристикам, спецификации, которая регулируется стандартами JIS (Японские промышленные стандарты) и EIA (Ассоциация электронной промышленности Америки).

● Характеристики смещения постоянного тока (характеристики напряжения постоянного тока)

Емкость керамического конденсатора также изменяется в зависимости от приложенного напряжения. При постоянном напряжении это свойство называется характеристиками смещения постоянного тока. У конденсаторов с низкой диэлектрической проницаемостью (тип 1) емкость практически не изменяется, но у конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью (тип 2) с характеристиками «B» и особенно керамических конденсаторов с характеристиками «F» изменение является значительным.Это связано с тем, что в конденсаторах с высокой диэлектрической проницаемостью используется сегнетоэлектрическое вещество (например, BaTiO3), которое создает спонтанную поляризацию.
Керамический материал представляет собой поликристаллическое вещество, состоящее из большого количества кристаллических зерен. В сегнетоэлектрическом материале так называемые домены этих зерен расположены попеременно в противоположном направлении, тем самым компенсируя друг друга, так что спонтанная поляризация не возникает. По мере увеличения напряженности приложенного постоянного электрического поля диэлектрическая проницаемость сначала также увеличивается, поскольку ориентация спонтанной поляризации совпадает с ориентацией электрического поля.Однако, когда электрическое поле становится сильнее, выравнивание прекращается и достигается насыщение, в результате чего диэлектрическая проницаемость падает. Поэтому при применении смещения постоянного тока необходимо выбрать правильные параметры, принимая во внимание характеристики диэлектрика, а также рабочее напряжение и выдерживаемое напряжение. Кроме того, падение емкости, вызванное смещением постоянного тока, будет иметь тенденцию быть более выраженным в конденсаторах меньшего размера.

● Импеданс vs.АЧХ

Чем выше частота переменного тока, тем легче он проходит через конденсатор. В идеальном конденсаторе по мере увеличения частоты импеданс будет стремиться все ближе к нулю, но на самом деле существует граница частоты, за которой сопротивление конденсатора снова возрастет. Следовательно, кривая зависимости сопротивления от частотной характеристики будет иметь V-образную (или U-образную) форму. Это связано с тем, что ESL (эквивалентная последовательная индуктивность) конденсатора образует LC-резонансный контур с конденсатором.Частота внизу V-кривой называется собственной резонансной частотой (SRF). До этой частоты конденсатор работает как конденсатор, но в частотном диапазоне выше него он действует как индуктор. Значение Q также падает и становится равным нулю на собственной резонансной частоте. Поэтому параметры должны быть выбраны таким образом, чтобы конденсатор работал ниже собственной резонансной частоты.

Проверить конденсатор при пробое под нагрузкой.

Меня расстроило, в чем причина проблемы с питанием. Каждый раз, когда я включаю источник питания, сразу же перегорает предохранитель (предохранитель становится темного цвета, что указывает на серьезное короткое замыкание в источнике питания). Я проверил. все компоненты в блоке питания и не могу найти виновника! Что я делаю, так это демонтирую все подозрительные детали одну за другой и заменяю заведомо исправным компонентом. В конце концов я нашел причину проблемы с питанием. Угадай, что? Это был конденсатор основного фильтра (220 мкФ, 400 вольт).После замены крышки фильтра блок питания работал нормально. Я начинаю свою детективную работу, чтобы выяснить, почему этот конденсатор может вызвать перегорание предохранителя, хотя я уже подтвердил, что это нормально с моими приборами.

Измерители, которые я использовал для проверки крышки фильтра, были аналоговым измерителем, цифровым измерителем емкости и измерителем esr. В этой статье я не буду объяснять, как проверять конденсатор или испытательный конденсатор и как работает конденсатор. Я полагал, что большинство из вас знает, как проверять конденсаторы, а также обычно используют этот тип измерителей.

При аналоговом измерении он показал зарядку и разрядку конденсатора, с помощью цифрового тестера конденсаторов он показал около 220 мкФ, а с помощью измерителя он показал низкое значение esr!

Это доказывает, что плохой пробой конденсатора при пониженном рабочем напряжении. Тогда как я могу подтвердить, что этот конденсатор фильтра неисправен? С помощью аналогового тестера изоляции. Когда я подключаю неисправный колпачок к счетчику и нажимаю кнопку «Пуск» — он показывает очень низкое сопротивление, и это доказывает короткое замыкание между пластиной при подаче напряжения! Нет ничего общего с плохим электролитом.Хороший конденсатор просто покажет заряд и разряд в измерителе изоляции, как если бы вы проверяли конденсатор с помощью аналогового мультиметра. На рынке существует довольно много ассортиментов, которые вы можете купить. Он имеет диапазон 50 В, 100 В, 250 В, 500 В, 1000 В и даже 5000 В! Если вы хотите протестировать конденсатор на 100 мкФ 160 В, тогда вам нужно выбрать 100 В. Если вы выберете 250 В, ваш тестируемый конденсатор взорвется.

Если у вас есть ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ SENCORE, такое как ncore lc meter LC102 ИЛИ LC103, эти измерители могут проверять конденсаторы любого типа с помощью четырех тестов; -тестирование значений конденсаторов — проверка последовательного сопротивления, эквивалентного утечке (ESR) и -Диэлектрическое поглощение: он может проверить алюминиевый электролитический конденсатор, пленочный конденсатор, керамический, высоковольтный конденсатор и т. Д.

Заключение — Различные производители конденсаторов производят конденсаторы разного качества. Возможно, неисправный конденсатор, который я обнаружил, относится к самому низкому классу. Отказ конденсатора под нагрузкой случается очень редко. Использование одного только конденсаторного измерителя ESR может решить большую часть проблемы с электролитическим конденсатором.

Диэлектрики — Гипертекст по физике

Обсуждение

основная идея

Диэлектрики — изоляторы простые и простые. Эти два слова относятся к одному и тому же классу материалов, но имеют разное происхождение и используются преимущественно в разных контекстах.

• Поскольку заряды имеют тенденцию нелегко перемещаться в неметаллических твердых телах, возможно наличие «островков» заряда в стекле, керамике и пластике. Латинское слово «остров» — insula , от которого происходит слово insulator . Напротив, заряды в металлических твердых телах имеют тенденцию легко перемещаться — как будто кто-то или что-то их ведет. Латинский префикс con или com означает «с». Человек, с которым у вас есть хлеб, — ваш товарищ. (На латыни хлеб — пани .) Взять что-то с собой в дорогу — это передать. (Латинское слово для обозначения дороги — через ). Человек, с которым вы путешествуете и который указывает путь или обеспечивает безопасный переход, является кондуктором. (Латинское слово для обозначения лидера — , проводник .) Материал, обеспечивающий безопасный проход электрических зарядов, — это проводник .
• Вставка слоя неметаллического твердого вещества между пластинами конденсатора увеличивает его емкость. Греческий префикс di или dia означает «поперек».Линия, пересекающая углы прямоугольника, — это диагональ. (Греческое слово, обозначающее угол — gonia — γωνία.) Измерение поперек круга — это диаметр. (Греческое слово для обозначения меры — метрон — μέτρον.) Материал, помещенный на пластины конденсатора, как небольшой непроводящий мостик, — это диэлектрик .

Пластиковое покрытие электрического шнура является изолятором. Стеклянные или керамические пластины, используемые для поддержки линий электропередач и предотвращения их замыкания на землю, являются изоляторами.Практически всегда, когда неметаллическое твердое тело используется в электрическом устройстве, оно называется изолятором. Возможно, единственный раз, когда слово диэлектрик используется в отношении непроводящего слоя конденсатора.

Диэлектрики в конденсаторах служат трем целям:

1. для предотвращения соприкосновения проводящих пластин, позволяя уменьшить расстояние между пластинами и, следовательно, увеличить емкость;
2. для увеличения эффективной емкости за счет уменьшения напряженности электрического поля, что означает, что вы получаете тот же заряд при более низком напряжении; и
3. , чтобы уменьшить возможность короткого замыкания из-за искрения (более формально известного как пробой диэлектрика) во время работы при высоком напряжении.

что здесь происходит

Когда металл помещают в электрическое поле, свободные электроны текут против поля, пока не выйдут из проводящего материала. В кратчайшие сроки у нас будет избыток электронов с одной стороны и дефицит с другой. Одна сторона проводника стала отрицательно заряженной, а другая — положительно заряженной. Освободите поле, и электроны на отрицательно заряженной стороне окажутся слишком близко для комфорта. Подобные заряды отталкиваются, и электроны убегают друг от друга так быстро, как только могут, пока не распределятся равномерно по всему телу; в среднем один электрон на каждый протон в пространстве, окружающем каждый атом.Проводящий электрон в металле похож на гоночную собаку, загнанную на пастбище. Они могут свободно перемещаться сколько угодно и могут перемещаться по всей длине, ширине и глубине металла по своей прихоти.

Жизнь гораздо более ограничена для электрона в изоляторе. По определению, заряды в изоляторе — это не свободных для перемещения. Это не то же самое, что сказать, что не может двигаться . Электрон в изоляторе похож на сторожевую собаку, привязанную к дереву: он может двигаться свободно, но в определенных пределах.Размещение электронов изолятора в присутствии электрического поля похоже на размещение привязанной собаки в присутствии почтальона. Электроны будут напрягаться против поля, насколько это возможно, почти так же, как наша гипотетическая собака будет напрягаться против своего поводка, насколько это возможно. Однако электроны в атомном масштабе больше похожи на облака, чем на собак. Электрон эффективно распространяется по всему объему атома и не концентрируется в каком-либо одном месте. Полагаю, хорошую атомную собаку нельзя было бы назвать Спотом.

Когда атомы или молекулы диэлектрика помещаются во внешнее электрическое поле, ядра толкаются полем, что приводит к увеличению положительного заряда с одной стороны, в то время как электронные облака притягиваются к нему, что приводит к увеличению отрицательного заряда с другой. боковая сторона. Этот процесс известен как поляризация , а диэлектрический материал в таком состоянии называется поляризованным . Существует два основных метода поляризации диэлектрика: растяжение и вращение.

Растяжение атома или молекулы приводит к индуцированному дипольному моменту , добавленному к каждому атому или молекуле.

Вращение происходит только в полярных молекулах — с постоянным дипольным моментом , как у молекулы воды, показанной на диаграмме ниже.

Полярные молекулы обычно поляризуются сильнее, чем неполярные. Вода (полярная молекула) имеет диэлектрическую прочность в 80 раз больше, чем у азота (неполярная молекула, которая является основным компонентом воздуха).Это происходит по двум причинам, одна из которых обычно тривиальна. Во-первых, все молекулы растягиваются в электрическом поле независимо от того, вращаются они или нет. Неполярные молекулы и атомы растягиваются, в то время как полярные молекулы растягиваются на и вращаются. Однако эта комбинация действий лишь незначительно влияет на общую степень поляризации вещества. Что еще более важно, полярные молекулы уже сильно растянуты — естественно. То, как атомы водорода сидят на рукавах электронных облаков атома кислорода, искажает молекулу в диполь.Все это происходит в межатомном или молекулярном масштабе. На таких крошечных расстояниях напряженность электрического поля относительно велика для того, что в противном случае было бы ничем не примечательным напряжением (например, 13,6 В для электрона в атоме водорода).

Растяжение и вращение — это не конец истории, когда дело доходит до поляризации. Это просто методы, которые проще всего описать случайному наблюдателю. В общем, поляризация диэлектрического материала представляет собой микроскопическую электростатическую деформацию в ответ на макроскопическое электростатическое напряжение.Внешнее поле, приложенное к диэлектрику, не может заставить заряды двигаться макроскопически, но оно может растягивать и искажать их микроскопически. Он может толкнуть их в неудобное положение, а при отпускании позволить им вернуться в расслабленное состояние. То, что отличает поляризацию изолятора от растяжения упругого тела, такого как пружина, заключается в том, что устранение напряжения не обязательно снимает напряжение. Некоторые изоляторы будут оставаться в поляризованном состоянии в течение часов, дней, лет или даже столетий.Наиболее длинные характерные времена должны быть экстраполированы из неполных наблюдений на более разумную продолжительность. Никто не собирается сидеть сложа руки и ждать две тысячи лет, чтобы увидеть, как поляризация куска пластика уменьшится до нуля. Ждать не стоит.

Наконец, важно иметь в виду, что заряды, «хранящиеся» в диэлектрическом слое, не доступны в виде пула бесплатных зарядов. Для их извлечения еще понадобятся металлические пластины. Важно помнить, что единственная причина, по которой кто-то, кажется, заботится об этом явлении, заключается в том, что он помогает нам создавать лучшие конденсаторы.Я думаю, что на этом обсуждение должно быть завершено.

Конденсаторы с диэлектриком

Поместите диэлектрический слой между двумя параллельно заряженными металлическими пластинами, направив электрическое поле справа налево. (Почему не слева направо? Ну, я читаю справа налево, поэтому мне легче «читать» диаграммы.) Положительные ядра диэлектрика будут перемещаться на с полем вправо, а отрицательные электроны переместит против на поле слева.Силовые линии начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами, поэтому электрическое поле внутри каждого напряженного атома или молекулы диэлектрика указывает на нашей диаграмме слева направо — напротив внешнего поля двух металлических пластин. Электрическое поле — это векторная величина, и когда два вектора указывают в противоположных направлениях, вы вычитаете их величины, чтобы получить результат. Эти два поля не компенсируются в диэлектрике, как в металле, поэтому общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами.

Увеличить

Позвольте мне повторить это — общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами. Давай займемся математикой.

Электрическое поле — это градиент электрического потенциала (более известного как напряжение).

.

E x = —	∆ В
	∆ x
E y = —	∆ В	⇒	E = — ∇ V
	∆ y
E z = —	∆ В
	∆ z

Емкость — это отношение заряда к напряжению.

Введение диэлектрика в конденсатор уменьшает электрическое поле, что снижает напряжение, что увеличивает емкость.

.

С ∝	1	( Q постоянная)	⇒	С ∝		( d , Q постоянная)
	В				1
V ∝ E ( d постоянная)					E

Конденсатор с диэлектриком сохраняет тот же заряд, что и конденсатор без диэлектрика, но при более низком напряжении.Поэтому конденсатор с диэлектриком более эффективен.

ЭТА МАЛЕНЬКАЯ ЧАСТЬ НУЖДАЕТСЯ В Доработке.

О первых открытиях лейденской банки. Удаление стержня снижает емкость. (Воздух имеет более низкую диэлектрическую проницаемость, чем вода.) Напряжение и емкость обратно пропорциональны, когда заряд постоянен. Уменьшение емкости увеличивает напряжение.

Чувствительность, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость

Электрический дипольный момент чего-либо — будь то атом, растянутый во внешнем электрическом поле, полярная молекула или две противоположно заряженные металлические сферы — определяется как продукт заряда и разделения.

p = q r

с единицей СИ кулонов метра , которая не имеет специального названия.

[см = см]

Поляризация области определяется как дипольный момент на единицу объема

с единицей СИ кулонов на квадратный метр .

⎡	см	=	С	⎤
	м 3		м 2

Расчет поляризации из первых принципов — сложная процедура, которую лучше доверить специалистам.Не беспокойтесь о деталях того, почему поляризация имеет такое значение, просто примите то, что она существует и является функцией некоторых переменных. И что это за переменные? Конечно, зачем они нужны, и почему они такие материалы и напряженность поля. Различные материалы поляризуются в разной степени — мы будем использовать греческую букву χ _e [chi sub e], чтобы обозначить эту величину, известную как электрическая восприимчивость, — но для большинства материалов поле сильнее ( E ) , тем больше поляризация ( P ).Добавьте коэффициент пропорциональности ε ₀ , и все готово.

P = ε ₀ χ _e E

Электрическая восприимчивость — это безразмерный параметр, который зависит от материала. Его значение варьируется от 0 для пустого места до любого другого. Бьюсь об заклад, есть даже некоторые причудливые материалы, для которых этот коэффициент отрицательный (хотя я не знаю наверняка). Константа пропорциональности ε ₀ [эпсилон ноль] известна как диэлектрическая проницаемость свободного пространства и будет рассмотрена немного позже.На данный момент это просто приспособление для тренировки единиц.

⎡	С	=	С 2		N	⎤
	м 2		Н м 2		С

НАПИШИТЕ ОСТАЛЬНУЮ ЭТО.

Величина κ [каппа] безразмерна.

Диэлектрическая проницаемость для выбранных материалов (~ 300 K, если не указано иное)

материал	к		материал	к
воздух	1.005364		кварц кристаллический (∥)	4,60
уксусная кислота	6,2		кварц кристаллический (⊥)	4,51
спирт этиловый (зерновой)	24,55		кварц плавленый	3,8
спирт метиловый (дерево)	32,70		каучук, бутил	2.4
янтарь	2,8		каучук, неопрен	6,6
асбест	4,0		резина, силикон	3,2
асфальт	2,6		каучук вулканизированный	2,9
бакелит	4,8		соль	5.9
кальцит	8,0		селен	6,0
карбонат кальция	8,7		кремний	11,8
целлюлоза	3,7–7,5		карбид кремния (αSiC)	10,2
цемент	~ 2		диоксид кремния	4.5
кокаин	3,1		силиконовое масло	2,7–2,8
хлопок	1,3		почва	10–20
алмаз, тип I	5,87		титанат стронция, +25 ° C	332
алмаз типа IIa	5,66		титанат стронция, −195 ° C	2080
эбонит	2.7		сера	3,7
эпоксидная	3,6		пятиокись тантала	27
мука	3–5		тефлон	2,1
фреон 12, −150 ° C (жидкость)	3,5		антимонид олова	147
фреон 12, +20 ° C (пар)	2.4		теллурид олова	1770
германий	16		диоксид титана (рутил)	114
стекло	4–7		табак	1,6–1,7
стекло, пирекс 7740	5,0		диоксид урана	24
гуттаперча	2.6		вакуум	1 (точно)
реактивное топливо (жиклер а)	1,7		вода, лед, −30 ° C	99
оксид свинца	25,9		вода, жидкость, 0 ° C	87,9
ниобат свинца, магния	10 000		вода, жидкость, 20 ° C	80.2
сульфид свинца (галенит)	200		вода, жидкость, 40 ° C	73,2
титанат свинца	200		вода, жидкость, 60 ° C	66,7
дейтерид лития	14,0		вода, жидкость, 80 ° C	60,9
люцит	2.8		вода, жидкость, 100 ° C	55,5
слюда, мусковит	5,4		воск пчелиный	2,7–3,0
слюда канадская	6,9		воск карнубский	2,9
нейлон	3,5		воск, парафин	2.1–2.5
масло льняное	3,4		вощеная бумага	3,7
масло минеральное	2,1
масло оливковое	3,1		тканей человека	к
масло нефтяное	2,0–2,2		кость губчатая	26
масло, силикон	2.5		кость кортикальная	14,5
масло, сперма	3,2		мозг, серое вещество	56
масло трансформаторное	2,2		мозг, белое вещество	43
бумага	3,3, 3,5		мозг, мозговые оболочки	58
оргстекло	3.1		Хрящ общий	22
полиэстер	3,2–4,3		Хрящ уха	47
полиэтилен	2,26		Глаз, водянистая влага	67
полипропилен	2,2–2,3		глаз, роговица	61
полистирол	2.55		Глаз, склера	67
поливинилхлорид (пвх)	4,5		жир	16
фарфор	6–8		мышца гладкая	56
ниобат калия	700		мышца поперечнополосатая	58
танталат ниобат калия, 0 ° C	34 000		скин	33–44
танталат ниобат калия, 20 ° C	6 000		язык	38

пробой диэлектрика

Любой изолятор можно заставить проводить электричество.Это явление известно как пробой диэлектрика .

Пробой диэлектрика в отдельных материалах

материал	поле (МВ / м)		материал	поле (МВ / м)
воздух	3		бумага	14, 16
янтарь	90		полиэтилен	50, 500–700, 18
бакелит	12, 24		полистирол	24, 25, 400–600
алмаз типа IIa	10		поливинилхлорид (ПВХ)	40
стекло, пирекс 7740	13, 14		фарфор	4, 12
слюда, мусковит	160		кварц плавленый	8
нейлон	14		каучук, неопрен	12, 12
масло, силикон	15		титанат стронция	8
масло трансформаторное	12, 27		тефлон	60
			диоксид титана (рутил)	6

пьезоэффект

Произнесите все гласные.Пьезоэлектричество — это эффект преобразования энергии между механической и электрической формами.

• Пьезо — греческое слово, обозначающее давление (πιεζω).
• Обнаружен в 1880-х годах братьями Кюри.
• Дешевые пьезоэлектрические микрофоны. Когда поляризованный кристалл подвергается напряжению, напряжение создает разность потенциалов. Эта разность потенциалов пропорциональна напряжению, которое пропорционально акустическому давлению.
• Обратный пьезоэлектрический микрофон — пьезоэлектрический динамик: зуммер будильника, звонок наручных часов, всевозможные электронные гудки.Когда к поляризованному кристаллу прикладывается электрический потенциал, кристалл подвергается механической деформации, которая, в свою очередь, может создавать акустическое давление.
• Коллаген пьезоэлектрический. «Когда к [костному] коллагену прикладывается сила, создается небольшой электрический потенциал постоянного тока. Коллаген проводит ток в основном за счет отрицательных зарядов. Минеральные кристаллы кости (апатит), расположенные рядом с коллагеном, проводят ток с помощью положительных зарядов. На стыке из этих двух типов полупроводников ток легко течет в одном направлении, но не в другом….Считается, что силы, действующие на кости, создают потенциалы за счет пьезоэлектрического эффекта и что соединения коллаген-апатит образуют токи, которые вызывают и контролируют рост костей. Токи пропорциональны напряжению (сила на единицу площади), поэтому повышенное механическое напряжение костей приводит к усилению роста «. Physics of the Body (255).

Микрофоны и принцип их работы

тип	звуков производят изменений в…	, что вызывает изменений…	, в результате чего изменений…
углерод	Плотность гранул	сопротивление	напряжение
конденсатор	разделение тарелок	емкость	напряжение
динамический	Расположение змеевика	флюс	напряжение
пьезоэлектрический	сжатие	поляризация	напряжение

.