>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

Профессия СБОРЩИК РЭА

§ 42. Конденсаторы

В РЭА и приборах применяют разнообразные конденсаторы. Конденсаторами называют элементы, у которых проводники обладают электрической емкостью, а сами проводники называют обкладками. Номинальная емкость конденсатора зависит от геометрических размеров его обкладок, расстояния между ними и материала диэлектрика. При увеличении диэлектрической проницаемости диэлектрика повышается емкость конденсатора.

Для каждого типоразмера номинальную емкость выбирают в соответствии со специальной шкалой, являющейся общесоюзным стандартом. Эта величина обозначается на корпусе конденсатора. Важным свойством конденсатора является то, что для переменного тока он представляет собой сопротивление, значение которого уменьшается с ростом частоты.

По конструкции и назначению различают конденсаторы постоянной емкости, переменной емкости, подстроечные и вариконды. Наиболее широко используют конденсаторы постоянной емкости.

Конденсаторы постоянной емкости. В качестве элементов колебательных контуров, различных фильтров, блокировочных элементов, а также для разделения цепей постоянного и переменного токов применяют конденсаторы постоянной емкости. В конденсаторах этого типа в качестве диэлектрика используют конденсаторную бумагу, полистироловую пленку, слюду, керамику или оксид алюминия. В зависимости от конструкции, параметров и назначения конденсаторы постоянной емкости делят на низкочастотные и высокочастотные.

К низкочастотным относят конденсаторы с бумажными диэлектриками (рис. 81, а) БМ, БГИ, КБГ, МБМ, МБГ, электролитические КЭ, ЭМ, ЭФ, ЭТО, ЭГЦ, к высокочастотным — слюдяные (рис. 81,б) конденсаторы, стеклоэмалевыс (рис. 81, в, г) КСО, СГМ, КСГ, КС; керамические (рис. 81. д) КТН, КТП, КТК, КДС, КОБ, КДК, КДО, КДУ, пленочные и металлопленочные.

Рис. 81. Основные типы конденсаторов постоянной емкости (а — д) и их условное обозначение (е)

Условное графическое обозначение конденсатора постоянной емкости состоит из двух коротких параллельных линий, обозначающих его две обкладки и диэлектрик между ними (рис. 81, е).

На электрической схеме рядом с изображением конденсатора указывают его номинальную емкость, а иногда и номинальное напряжение. Единицей измерения емкости является фарада (Ф) — емкость эталонного проводника, потенциал которого возрастает на один вольт при увеличении заряда на один кулон. Это очень большая величина, которая на практике не применяется. В производстве РЭА используют конденсаторы емкостью от долей пикофарады (пФ) до нескольких тысяч микрофарад (мкФ); применяют также конденсаторы емкостью в одну и более нанофарад (Н): 1 Ф = 10⁶ мкФ = 10¹² пФ; 1 мкФ = 10⁶ пФ; 1 Н = 1000 пФ = 0,001 мкФ.

По ГОСТ 2.702 — 69 емкость конденсаторов на схемах обозначается следующим образом: менее 1 пФ — соответствующим дробным числом с буквой П после него, например, 0,01 П; от 1 до 9999 пФ — в пикофарадах без обозначения единицы измерения, например, 270; от 0,01 мкФ (10000 пФ) до 9999 мкФ — в микрофарадах без обозначения единицы измерения, причем емкость указывают в виде дробного числа, например 0,047; 0,5 или числа с нулем через запятую — 20, 50 и т. д.

Номинальную емкость и допустимое отклонение от нее указывают на корпусах конденсаторов, иногда там же указывают номинальное рабочее напряжение. Маркировка единицы измерения емкости производится в сокращенном виде: П — пикофарада, М — микрофарада, Н — нанофарада. При этом емкости от 0 до 100 пФ маркируют буквой П либо после числа (если оно целое), либо на месте запятой, например 10 пФ = 10П; 1,8пФ = 1П8.

Емкости от 100 пФ (0,1 нФ) до 0,1 мкФ (100 нФ) обозначают в нанофарадах, а от 0,1 мкФ и выше — в микрофарадах. Если емкость выражена в нанофарадах или микрофарадах, соответствующую единицу измерения пишут на месте нуля или запятой, например, 150 пФ=15Н; 0,33 мкФ = МЗЗ; 1,55 пФ = 1Н5.

Емкости конденсаторов, выраженные целым числом соответствующих единиц, записывают обычным способом, например 0,01 мкФ = 10Н; 30 мкФ = 30М.

В зависимости от условий работы к конденсаторам предъявляют соответствующие требования. Так, конденсатор, включенный в колебательный контур, должен иметь очень малые потери на рабочей частоте и стабильную емкость во время его работы.

Потери в конденсаторах, определяемые потерями в диэлектрике, возрастают в основном при повышении температуры, влажности и частоты, в результате этого конденсатор нагревается. Потери в конденсаторах оцениваются тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ), который дополняет угол сдвига фаз φ между переменным напряжением и током до 90°. Величина, обратная tgδ , называется добротностью конденсатора (Qс). Наименьшими потерями обладают конденсаторы с диэлектриком из высокочастотной керамики, со слюдяными и пленочными диэлектриками, а наибольшими — конденсаторы с бумажным и сегнетокерамическим диэлектриками. Это следует учитывать при замене конденсаторов.

Изменение емкости конденсаторов под воздействием окружающей среды (в основном за счет изменения температуры) происходит за счет изменения размеров обкладок, зазоров между ними и свойств диэлектрика. Наиболее подвержены этому бумажные и металлобумажные конденсаторы широкого применения. Специальные теплоустойчивые конденсаторы этого типа могут работать в широком диапазоне температур (от 18° до 100 °С).

В зависимости от конструкции и примененного диэлектрика конденсаторы характеризуются температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), показывающим относительное изменение емкости при изменении температуры на один градус, т. е. ТКЕ = ΔС/(СΔt), где ΔС — изменение емкости при изменении температуры на Δt°С; С — емкость при нормальной температуре.

Конденсаторы со слюдяным и керамическим диэлектриками могут иметь ТКЕ примерно 50-10^-6/°С, а с бумажным — (1-3) • 10^-3/°С, ТКЕ может быть положительным и отрицательным. По значению и знаку этого параметра конденсаторы постоянной емкости разделяются на группы, которым присвоены соответствующие буквенные обозначения и цвет окраски корпуса. Для сохранения стабильной работы колебательных контуров, настроенных на определенную частоту, в широком интервале температур часто применяют последовательное и параллельное соединения конденсаторов, у которых ТКЕ имеют противоположные знаки. Вследствие этого частота настройки колебательного контура при изменении температуры окружающей среды остается неизменной.

Электрическая прочность конденсаторов характеризуется номинальным и испытательным напряжениями.

Номинальное напряжение — эта наибольшее напряжение, приложенное к обкладкам конденсатора, при котором он надежно работает в заданных условиях.

Испытательное напряжение — это максимальное напряжение, которое конденсатор выдерживает, не теряя электрических свойств в течение небольшого промежутка времени (от нескольких секунд до нескольких минут).

Пробивное напряжение — это максимальное рабочее напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика.

Как и любые проводники, конденсаторы обладают некоторой индуктивностью. Она тем больше, чем длиннее и тоньше выводы конденсатора, чем больше размеры его обкладок и внутренних соединительных проводников. Наибольшей индуктивностью обладают бумажные конденсаторы, у которых обкладки выполнены в виде лент из фольги, свернутых вместе с диэлектриком. Собственная индуктивность конденсаторов ограничивает верхний предел частоты, на которой их можно применять, т. е. значение максимальной рабочей частоты определяется резонансной частотой колебательного контура, образованного емкостью и собственной индуктивностью конденсатора. Конденсаторы можно применять на частоте в 2 — 3 раза меньшей, чем их собственная резонансная частота.

Предельная частота для бумажных конденсаторов колеблется от 1 до 1,5 МГц, специальных бумажных (малых габаритов) — от 30 до 80 МГц, специальных слюдяных — от 150 до 250 МГц, специальных керамических — от 2000 до 3000 МГц.

Для защиты от помех, которые могут проникнуть в аппаратуру или прибор через цепь питания, а также для различных блокировочных устройств применяют специальные проходные конденсаторы (рис. 82).

Рис. 82. Проходной конденсатор (а) и его условное обозначение (б)

Проходной конденсатор имеет три вывода, два из которых представляют собой сплошной токопроводящий стержень, проходящий через корпус конденсатора. К этому стержню присоединена одна из обкладок конденсатора. Третьим выводом является металлический корпус, с которым соединена вторая обкладка. Корпус проходного конденсатора закрепляют непосредственно на шасси или экране, а провод питания припаивают к его среднему выводу. Благодаря такой конструкции токи высокой частоты (помехи) замыкаются на шасси или на экране прибора, и сигналы постоянного тока проходят беспрепятственно.

Электролитические конденсаторы применяют в низкочастотных цепях и в цепях фильтрации питания, где требуются конденсаторы с емкостью в десятки, сотни, а иногда и тысячи микрофарад. В электролитических конденсаторах роль одной обкладки (анода — положительного электрода) выполняет алюминиевый или танталовый электрод, роль диэлектрика — тонкий оксидный слой, нанесенный на него, а роль другой обкладки (катода — отрицательного электрода) — специальный электролит, выводом которого часто служит металлический корпус конденсатора. Включать электролитические конденсаторы можно только в цепи постоянного или пульсирующего напряжения и в той полярности, которая на нем указана: анод присоединяется к зажиму со знаком « + », а катод к зажиму (шасси) со знаком «-». Электролитические конденсаторы очень чувствительны к перенапряжению, поэтому на схемах рекомендуется рядом с их графическим изображением указывать их номинальные емкости и напряжение.

Промышленность выпускает электролитические конденсаторы КЭ (рис. 83, а), которые по способу крепления изготовляют в двух вариантах КЭ-1а и КЭ-16. Для печатного монтажа изготовляют специальные малогабаритные конденсаторы (рис. 83,б).

Рис. 83. Электролитические конденсаторы (а, б) и их условное обозначение (в)

Конденсаторы переменной емкости. В тех узлах РЭА, где требуется плавно изменять емкость, применяют конденсаторы переменной емкости (рис. 84, а). Наибольшее распространение имеют конденсаторы переменной емкости, в которых подвижная группа пластин при повороте оси входит в воздушные зазоры между пластинами неподвижной группы. Такие конденсаторы отличаются большой точностью установки емкости, высокой стабильностью и незначительными потерями. Благодаря этому их широко применяют для настройки высокоточных колебательных контуров. Диэлектриком в конденсаторах переменной емкости служит воздух.

Рис. 84. Конденсатор переменной емкости (а) и его условное обозначение (б)

В малогабаритной аппаратуре широкое применение нашли конденсаторы переменной емкости с твердым диэлектриком, в качестве которого используют фторопласт, полиэтилен. Графическое изображение конденсаторов переменной емкости приведено на рис. 84,б. Чтобы показать на схеме, какая из обкладок является ротором, на обозначении ротора ставится точка. Основными параметрами таких конденсаторов являются минимальная и максимальная емкости, которые указывают на схеме рядом с графическим изображением конденсатора.

По характеру изменения емкости в зависимости от угла поворота оси и формы пластин конденсаторы разделяют на четыре вида: прямоемкостные, прямоволновые, прямочастотные и среднелинейные (логарифмические). У прямоемкостных конденсаторов, имеющих полукруглые подвижные пластины, емкость изменяется пропорционально углу поворота оси; их применяют в специальной измерительной аппаратуре. Прямо волновые конденсаторы, имеющие специальную форму пластин, применяют в аппаратуре, где требуется изменять длину волны колебательного контура пропорционально углу поворота оси. Более широко применяют прямочастотные конденсаторы, дающие равномерное изменение частоты контура по диапазону, а также среднелинейные, у которых процентное изменение емкости, приходящееся на градус поворота оси, остается постоянным в любом месте шкалы.

Подстроенные конденсаторы. Для установки начальной емкости колебательного контура, которая определяет максимальную частоту его настройки, применяют подстроечные конденсаторы, емкость которых изменяется от единиц до двух-трех десятков пикофарад. Все конденсаторы этого типа разделяют на две основные группы: с воздушным (плоские и цилиндрические) и твердым диэлектриком. Наибольшее распространение среди конденсаторов с твердым диэлектриком получили керамические, которые в зависимости от конструкции разделяют на плоские поворотные и цилиндрические.

Керамические подстроечные конденсаторы КПК (рис. 85,а) предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока. Статором у них служит керамическое основание с нанесенным на его поверхность тонким серебряным сектором, ротором — керамический диск с таким же сектором. Емкость конденсатора изменяют поворотом диска. В простейшей аппаратуре иногда применяют проволочный подстроечный конденсатор, который состоит из отрезка медной проволоки диаметром 1 — 2 мм и длиной 15 — 20 мм, с плотно намотанным, виток к витку, изолированным проводом диаметром 0,2 — 0,3 мм (рис. 85,б). Емкость изменяют отматыванием провода, а чтобы обмотка не сползала, ее пропитывают каким-либо изоляционным составом (лаком, клеем, парафином и т. п.).

Рис. 85. Подстроечные металлокерамический (а) и проволочный (б) конденсаторы, их условное обозначение (с)

Вариконды. Конденсаторы, в которых в качестве диаэлектрика применяется специальная керамика, называются варикондами. Диэлектрическая проницаемость таких конденсаторов зависит от напряженности электрического поля, а емкость — от напряжения на его обкладках.

При изменении напряжения от нескольких вольт до номинального емкость вариконда изменяется в 3 — 6 раз. Вариконды можно использовать в различных устройствах автоматики, в генераторах качающейся частоты, модуляторах, для электрической настройки колебательных контуров и т. д.

Перед измерением емкости тестером или специальным индикатором прежде всего убеждаются в исправности конденсатора и отсутствии в нем короткого замыкания. При исправном конденсаторе стрелка прибора не отклоняется.

Если емкость конденсатора велика, то в момент подключения стрелка несколько отклоняется, а затем возвращается в прежнее положение. Для определения утечки конденсатора омметром при подключении электролитических конденсаторов соблюдают полярность. Наиболее просто и быстро можно измерить емкость специальными приборами — фарадометрами с непосредственным отсчетом емкости.