Министерство образования РФ.
ГОУ НПО СО Профессиональный лицей № 16
Курсовая работа
«Конденсаторы»
Исполнитель: учащийся
ПЛ. № 16 группы Р-316
Пьянков Александр Борисович
Руководитель: преподаватель
радиоматериалов
ПЛ. №16 Потапова Ольга
Александровна
Камышлов 2009
Содержание
Введение
1. Основная часть
Материалы
Исторический очерк
Виды конденсаторов
Особенности керамического конденсатора
Маркировка и классификация конденсаторов
2. Применение и эксплуатация
Эксплуатационные факторы и их воздействие
Механические нагрузки
Радиационные воздействия
Электрические нагрузки
Частотные свойства и особенности их работы в импульсныхрежимах
Введение
Цель: Исследовать работу, состав и конструктивныеособенности конденсатора.
Задачи: Главной моей задачей является поглубжеизучить конденсаторы, понять его состав. Выяснить материалы, электрическиепараметры. Больше разобрать маркировку и проанализировать применение.
Конденсатор — наз. прибор, служащий для скопления на поверхностинебольшого объема вещества большого количества электричества без значительногоповышения при этом напряжения электричества в теле. Одно и то же количествоэлектричества, будучи придано различным телам, вызовет в них неодинаковоеповышение напряжения, подобно тому, как одно и то же количество тепла повыситтемпературу различных тел на различное число градусов. Обратно, чтобы повыситьнапряжение (потенциал) различных тел на одну и ту же величину, нужны различныеколичества электричества, для одних тел весьма малые, для других весьма большие.О первых телах говорят, что они обладают малой электрической емкостью, овторых, что их электрическая емкость весьма велика. Вообще же, электроемкостьтела определяется тем количеством единиц электричества — кулонов, которыеследует придать телу, чтобы повысить его потенциал на единицу электрическогопотенциала — на один вольт. Поэтому за единицу электрической емкости принятаемкость тела, которому нужно придать один кулон, чтобы повысить потенциал егона один вольт. Эта единица емкости в честь английского ученого Фарадея названаодной фарадой. Итак, если некоторому телу необходимо придать n кулонов длятого, чтобы повысить его потенциал на 1вольт, 2n — чтобы повысить на 2 вольта ит.д., то емкость этого тела будет n фарад. Емкость каждого отдельно взятоготела зависит от геометрической его формы и от его размеров, но нисколько независит ни от вещества, из которого оно приготовлено, ни от массы тела. Так,емкости свинцового и алюминиевого шара того же диаметра, массивных или полых,равны, но емкость свинцового шара изменится, когда мы его массу расплющим ипридадим ей форму эллипсоида. Нет общего закона, который просто давал бызависимость между формой и размерами тела и его емкостью. Наиболее простомузакону следует шар, емкость которого пропорциональна его радиусу. Пользуясьэтим, можно за единицу емкости принять емкость шара радиусом в 1 см. Этаединица емкости называется абсолютной теоретической единицей и в 900000000000раз меньше одной фарады. Отсюда видим, что для емкости в 1 фараду был бы нуженшар радиусом в 9 млн. км., т.е. с диаметром, в 7 раз большим диаметра солнца. Напрактике принята за единицу емкости одна миллионная доля фарады — однамикрофарада, которая, таким образом в 900000 раз больше теоретической единицы. Электрич.емкость шара, равного земле, равна 708микрофарадам. Емкость тел зависит, крометого:
1) от природы непроводящей среды, окружающей тело. Всевышесказанное относится к случаю нахождения тела в пустоте (или приблиз. ввоздухе). Если же тело окружено другим диэлектриком, то его емкость будетбольше или меньше, чем в пустоте; число, дающее отношение емкости тела в данномдиэлектрике к емкости того же тела в пустоте, называется диэлектрическойпостоянной этого вещества. У всех твердых и жидких изоляторов диэл. постояннаябольше, чем у воздуха, у которого она весьма мало разнится от единицы.
2) От присутствия в близости рассматриваемого тела другихтел, имеющих другой электр. потенциал. Таким образом, все сказанное вышеотносится вполне точно лишь к случаю одного проводящего тела, окруженногобезграничной изолирующей средой. Емкость тел значительно увеличивается, если кним приблизить другие проводящие тела, в особенности тела, имеющие всегдапотенциал ноль, т.е. соединенные с землей. Увеличениe емкости будет тем более,чем ближе эти тела к заряженному телу и чем полнее они его окружают. Итак, еслимы желаем какому-либо телу придать весьма большую емкость, то мы должныпоместить его в среду с большой диэлектрической постоянной и возможно близко кнему поместить другое тело, соединенное с землей. Такая комбинация проводникови называется конденсатором. В простейшем виде К. представляют две металлическиепластины А и В, весьма близкие друг к другу и разъединенные друг от друга какимлибо изолирующим слоем (обкладки): А. заряжаема электричеством от постоянногоисточника (машины, батареи) и назыв. собирателем, а В соединена с землей и наз.сгустителем. Если А заряжается положительным электричеством, то на Ввозбуждается отрицательное электричество; если затем разобщить соединение В сземлей, II соединить А и В проводником, то К. разряжается. Емкость конденсаторазависит от формы и размеров собирателя и сгустителя, от их расстояния и отдиэлектрической постоянной среды, между ними находящейся. В некоторыхпростейших случаях емкость К. можно вычислить:
1) обкладки представляют две весьма близкие концентрическиешаровые поверхности, или две бесконечные пластины, очень близкие друг к другу. Еслирасстояние между обкладками равно 1 (в см), поверхность собирателя равна S' (вкв. см), то емкость С равна микрофарад, где К — диэл. постоянная среды, а (отношениеокружности к диаметру (p= 3,1416). Например, К. из двух пластин в 1 кв. м.,разделенных пластинкой стекла (К = 5) в1 мм., имеет емкость около1/23микрофарады. Если пластины имеют сравнительно небольшие размеры, то этаформула лишь приблизительно верна; более точные формулы для этого случая даныКирхгоффом и Максвеллом.2) Обкладки представляют два концентрических цилиндрарадиусов R1 и R2 (в см), разделенных средой сди электрической постоянной К. Тогдаемкость равна микрофарад где lg обозначает натуральный Неперов логарифм. Этотслучай весьма важен в практике, так как непосредственно применим к подводнымтелеграфным кабелям, состоящим из внутренней жилы, окруженной гутаперчей,защищенной металлической броней. Собирателем служит жила, сгустителем броня,соприкасающаяся с водой. Сто километров такого кабеля с жилой в 2 мм. радиусоми 4 мм. внешнего радиуса, изолированный гутаперчей (К = 2,5), имеет емкостьоколо 20 микрофарад. Значительная емкость длинных кабелей представляет главнуюпомеху для быстрой передачи знаков по подводному кабелю.3) Одна обкладка — проволокарадиуса r (всм), другая — бесконечная плоскость, отстоящая от оси проволоки наhсм. Емкость такого К. длины L (в см) равна микрофарад Такого рода К. представляеттелеграфная проволока, протянутая над землей. Километр проволоки в 4 мм.,протянутой на вышине 10 метр. От земли, имеет емкость (К. для воздуха=1) приблизительно0,012 микрофарад. Чтобы получить К. весьма большой емкости, соединяют иногданесколько К. в одну батарею параллельно, т.е. берут целый ряд одинаковых К. (К.изображают схематически и образной чертой, представляющей сгуститель, ивходящей в нее прямой чертой, изображающей собиратель) и соединяют однимпроводником все собиратели вместе, другим — все сгустители. Такая батареязаряжается как один К. и емкость ее равна сумме емкостей отдельных К. Если жесоединить батарею К. последовательно, или, как говорят, каскадом, то емкостьбатареи будет во столько раз меньше емкости одного К., сколько в батарее всегоК. Чтобы зарядить К., присоединяют собирательную обкладку К. с источникомэлектричества постоянного потенциала, например, электрической машиной илигальванической батареей, а сгустительную обкладку с землей или с другим полюсоммашины, или батареи. Приток электричества постепенно заряжает К. Если емкость К.есть С, и он заряжается батареей с разностью потенциалов на полюсах Е, а R естьсопротивление всей цепи помимо К., то через t секунд по замыкании цепи черезнее течет заряжающий ток силой а разность потенциалов у зажимов К. в этотмомент равна где е — основание Не перовых логарифмов (е=2,718), время выраженов секундах, величины V и Е в вольтах, R в омах, а С в фарадах. Отсюда видно,что, теоретически говоря, К. заряжается бесконечно долго, и никогда V неделается равным Е. Но уже через весьма короткий промежуток времени разница V — Еделается чрезвычайно малой. Разница между V и Е равна — от Е через время t =Crlog n, напр., при конденсаторе в 10микрофарад в цепи сопротивления в 10 ом,заряд будет отличаться от полного на 0,1 через 0,00023 секунды, а на однутысячную через 0,00069секунд. Заряженный таким образом К. обладает запасенным внем некоторым количеством энергии, на образование которой затрачена была работавкг. — м., где С — емкость в фарадах, а V — разность потенциалов обкладов ввольтах. При разряде эта энергия освобождается и может совершить такую жеработу. Заряжение К. сопровождается рядом явлений, происходящих внутри К. междуего обкладками, в диэлектрике. Обкладки К., будучи противоположнонаэлектризованы, притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной 1) квадратуразности потенциалов, существующей между обкладками К., и 2) диэлектрическойпостоянной среды. На этой зависимости и опытном определении этой силыпритяжения основаны способы определения разности потенциалов и диэлектр. постоянной.Диэлектрическая среда, находящаяся между обкладками, будучи подвержена действиюэлектрических сил, претерпевает некоторые изменения, которые указывают нам нату важную роль, которую играет непроводящая среда в электрических явлениях. Этиявления в среде следующие:
1) Остаточный заряд. Опыт показал, что через некоторое времяпосле разряда К. с твердым диэлектриком, его обкладки оказываются снова слабонаэлектризованными и могут при соединении дать новый слабый разряд, за которымчерез некоторое время может следовать все более и более слабые третий,четвертый разряды и т.д. Предполагают, что это явление зависит от поглощенияэлектричества слоем изолятора и медленного освобождения его после разряда.
2) Электрострикция. При заряде К. объем слоя диэлектрикаслегка уменьшается, как показали Дютер (1878) и другие; после разрядадиэлектрик принимает прежний объем. Причина явлений не вполне выяснена.
3) Двойное преломление. Прозрачный диэлектрик, как показалКерр (1875), между обкладками заряженного К. приобретает свойства двойногопреломления, которые теряет после разряда К. Вполне изолированный К. можетвесьма долго сохранять свой заряд. Чтобы произвести разряд, необходимосоединить проводником обкладки К., при этом энергия, накопленная в К.,освобождается. Разряд К. может быть либо обыкновенный, представляющий простоебыстро ослабевающее течение электричества, а следовательно, явление, обратноезаряду, либо колебательный, смотря по свойствам цепи, по которой проходитразряд. Энергия, освобождающаяся вовремя разряда, может совершать работу, в видели световых и тепловых, или механических, или химических действий. Световыедействия в виде искры и тепловые в виде нагревания воздушного илиметаллического пути разряда всегда сопровождают явления разряда. Механическиедействия проявляются в виде пробивания слоя диэлектрика, помещенного междудвумя шариками, соединенными с обкладками К. Иногда, когда К. заряжен до весьмавысокого потенциала, пробивается сам диэлектрик между обкладками К., и этотпоследний приходит в негодность. Слабые химические действия, производимыеразрядом по существу не отличаются от таковых, производимых гальванич. током; физиологическиедействия, обнаруживающиеся при пропускании разряда К. через тело человека илиживотного, вызывают сильные болевые ощущения и при достаточной энергии зарядамогут причинить вред для здоровья и даже смерть. К. обыкновенно на практикепридают форму либо лейденских банок, либо пластинчатых. К. Эти последниесостоят обыкновенно из целого ряда тонких металлических пластин, проложенныхтонким изолирующим слоем провощенной или парафинированной бумаги, слюды,эбонита и т.п. Четные пластинки b, d, f, h соединяются вместе и образуют однуобкладку, нечетные a, с, е, g — другую. Иногда, если К. должен служить длявесьма больших разностей потенциалов, его всего погружают в ящик с маслом. К. имеютмного применений в науке, а в последнее время и в технике. В опытных работах постатическому электричеству ими часто пользуются для скопления значительныхколичеств электрической энергии, а также применяют их к электроскопам дляувеличения чувствительности последних, в катушках Румкорфа и т.д. В цепипостоянного тока К. не представляют особенных явлений, но весьма замечательныеявления они представляют в цепи переменного тока. В цепи переменного тока К.,включенный в цепь, не прерывает тока и действует лишь как сопротивление,ослабляя силу тока; в иных же случаях (в цепи проводники с самоиндукцией) можетдаже увеличить силу тока. Все увеличивающееся пользование переменными токамиввело пользование К. и в техническую практику. Teopию К. и их применений см.: проф.И.И. Боргман, «Основания учения об электрических и магнитных явлениях»(СПб.,1893) и Т.Г. Блекслей, «Переменные электрические токи» (СПб.,1894).А.Г.
1. Основная частьМатериалы
Слюды — группа минералов — алюмосиликатов слоистой структурыс общей формулой R1R2-3 [AISi3O10] (OH, F) 2, где R1 = К, Na; R2 = Al, Mg, Fe,Li Основной элемент структуры слюды представлен трёхслойным пакетом из двухтетраэдрических слоев [AlSi3O10] с находящимся между ними октаэдрическим слоем,состоящим из катионов R2. Два из шести атомов кислорода октаэдров замещеныгидроксильными группами (ОН) или фтором. Пакеты связываются в непрерывнуюструктуру через ионы К+ (или Na+) с координационным числом 12. По числуоктаэдрических катионов в химической формуле различаются диоктаэдрические итриоктаэдрические слюды: катионы Al+ занимают два из трёх октаэдров, оставляяодин пустым, тогда как катионы Mg2+, Fe2+ и Li+ с Al+ занимают все октаэдры. Слюдыкристаллизуются в моноклинной (псевдотригональной) системе. Относительноерасположение шестиугольных ячеек поверхностей трёхслойных пакетов обусловленоих поворотами вокруг оси с на различные углы, кратные 60°, в сочетании сосдвигом вдоль осей а и в элементарной ячейки. Это определяет существованиеполиморфных модификаций (политипов) слюды, различаемых рентгенографически. Обычныполитипы моноклинной симметрии.
По химическому составу выделяют следующие группы слюды. Алюминиевыеслюды:
мусковит KAl2 [AISi3O10] (OH) 2, парагонит NaAl2 [CAISi3O10](OH) 2, магнезиально — железистые С.:
флогопит KMg3 [AISi3O10 [OH. F) 2, биотитK (Mg, Fe)3 [AISi3O10] (OH,F) 2, лепидомелан Kfe3 [AlSi3O10] (OH,F) 2;
Литиевые:
лепидолит Kli2-xAl1+x [Al2xSi4-2xO10] (OH. F)2, циннвальдит KLiFeAl [AISi3O10] (OH, F) 2
тайниолит KLiMg2 [Si4O10] (OH, F) 2.
Встречаются также ванадиевая слюда — роскоэлит KV2 [AISi3O10](OH) 2, хромовая слюда. — хромовый мусковит, или фуксит, и др. В слюдах широкопроявляются изоморфные замещения: К+ замещается Na+, Ca2+, Ba2+, Rb+, Cs+ и др.;Mg2+ и Fe2+ октаэдрического слоя — Li+, Sc2+, Jn2+ и др.; Al3+ замещается V3+,Cr3+, Ti4+, Ga3+ и др. Наблюдаются совершенный изоморфизм между Mg2+ и Fe2+ (непрерывныетвёрдые растворы флогопит — биотит) и ограниченный изоморфизм между Mg2+ — Li+и Al3+-Li+, а также переменное соотношение окисного и закисного железа. Втетраэдрических слоях Si4+ может замещаться Al3+, а ионы Fe3+ могут замещатьтетраэдрический Al3+; гидроксильная группа (OH) замещается фтором. С. частосодержат различные редкие элементы (Be, В, Sn, Nb, Ta, Ti, Mo, W, U, Th, Y, TR,Bi); часто эти элементы находятся в виде субмикроскопических минералов-примесей:колумбита, вольфрамита, касситерита, турмалина и др. При замене К+ на Ca2+образуются минералы группы т. н. хрупких слюд — маргарит CaAl2 [Si2Al2O10] (OH)2 и др., более твёрдые и менее упругие, чем собственно слюда. При замещениимежслоевых катионов К+ на H2O наблюдается переход к гидрослюдам, являющимсясущественными компонентами глинистых минералов. Следствия слоистой структурыслюды и слабой связи между пакетами: пластинчатый облик минералов, совершенная(базальная) спайность, способность расщепляться на чрезвычайно тонкие листочки,сохраняющие гибкость, упругость и прочность. Кристаллы слюды могут бытьсдвойникованы по «слюдяному закону» с плоскостью срастания (001); частоимеют псевдогексагональные очертания. Твёрдость по минералогической шкале 2,5-3;плотность 2770 кг/м3 (мусковит), 2200 кг/м3 (флогопит), 3300 кг/м3 (биотит). Мусковити флогопит бесцветны и в тонких пластинках прозрачны; оттенки бурого, розового,зелёного цветов обусловлены примесями Fe2+, Мп2+, Cr2+ и др. Железистые слюды — бурые, коричневые, тёмно-зелёные и чёрные в зависимости от содержания исоотношения Fe2+ и Fe3+. Слюды — один из наиболее распространённыхпородообразующих минералов интрузивных, метаморфических и осадочных горныхпород, а также важное полезное ископаемое.
Различают три вида промышленных слюд:
листовая слюда
мелкая слюда
скрап (отходы от производства листовой слюды)
Промышленные месторождения листовой слюды высокого качестваредки. Промышленные требования к листовой слюде сводятся к совершенствукристаллов и их размерам; к мелкой слюде — чистота слюдяного материала. Крупныекристаллы мусковита встречаются в гранитных пегматитах (Мамско-Чуйский районИркутской области, Чупино-Лоухский район Карельской АССР, Енско-Кольский районМурманской обл. — в СССР, месторождения Индии, Бразилии, США). Месторожденияфлогопита приурочены к массивам ультраосновных и щелочных пород (Ковдорское наКольском полуострове) или к глубоко метаморфизованным докембрийским породампервично карбонатного (доломитового) состава (Алданский слюдоносный районЯкутской АССР, Слюдянский район на Байкале в СССР), а также к гнейсам (Канада иМалагасийская Республика). Мусковит и флогопит являются высококачественнымэлектроизоляционным материалом, незаменимым в электро-, радио- и авиатехнике. Месторождениялепидолита, одного из основных промышленных минералов литиевых руд, связаны сгранитными пегматитами натрово-литиевого типа. В стекольной промышленности излепидолита изготавливают специальные оптические стекла.
Керамика (греч. keramike — гончарное искусство, отkéramos — глина), изделия и материалы, получаемые спеканием глин и ихсмесей с минеральными добавками, а также окислов и др. неорганическихсоединений. Керамика получила широкое распространение во всех областях жизни — вбыту (различная посуда), строительстве (кирпич, черепица, трубы, плитки,изразцы, скульптурные детали), в технике, на железнодорожном, водном ивоздушном транспорте, в скульптуре и прикладном искусстве. Основнымитехнологическими видами керамики являются терракота, майолика, фаянс, каменнаямасса и фарфор. В лучших своих образцах керамики отражает высокие достиженияискусства всех времён и народов. Далее я немного хочу погрузить вас в историю…
Исторический очерк
Пластичность глин использовалась человеком ещё на заре егосуществования, и едва ли не первыми изделиями из глины стали скульптуры людей иживотных, известные ещё в палеолите. Керамика позднему палеолиту некоторыеисследователи относят и первые попытки обжига глины. Но широко обжиг глиняныхизделий с целью придать им твёрдость, водоустойчивость и огнестойкость сталприменяться только в неолите (около 5 тыс. лет до н. э). Освоение производствакерамики — одно из важнейших достижений первобытного человека в борьбе засуществование: варка пищи в глиняных сосудах позволила намного расширитьассортимент съедобных продуктов. Как и другие подобные открытия (например,пользование огнем), керамика не является изобретением какого-либо одного лицаили народа. Ее осваивали независимо друг от друга в разных частях земли, когдачеловеческое общество достигало соответствующего уровня развития. Это не исключалов дальнейшем взаимовлияний, в результате которых лучшие достижения народов иотдельных мастеров становились общим достоянием. Способы обработки глины дляполучения керамики, как и самого производства изделий, изменялись исовершенствовались в соответствии с развитием производительных сил народов. Распространённостькерамики и своеобразие её видов у различных народов в разные эпохи, наличие накерамики орнаментов, клейм, а нередко и надписей делают её важным историческимисточником. Она играла большую роль в развитии письменности (клинопись), первыеобразцы которой сохранились на керамических плитках в Двуречье.
Первоначально основным видом керамики была посуда дляхранения запасов и варки пищи. Сосуды обычно ставили между камнями очага, длячего удобнее было яйцевидное или округлое дно; толстые стенки для облегченияобжига покрывали вдавленным орнаментом, который с самого начала имел такжеважное эстетическое и культовое значение. Начиная с энеолита (3-2-е тысячелетиедо н. э) на керамических изделиях появилась роспись. Формы посуды развивалисьсоответственно потребностям быта (например, переход к оседлому образу жизнипотребовал сосудов с плоским дном, приспособленным к плоским поду печи и столу;своеобразная форма славянских горшков вызвана особенностями приготовления пищив печи, когда сосуд обогревается сбоку) и художественным традициям народов. Укаждого из них были в разные времена свои излюбленные формы сосудов,расположение и характер орнаментов, способы обработки поверхности, которую илиоставляли естественные фактуры и цвета глины, или лощили, изменяли цвет путёмвосстановительного обжига расписывали, покрывали ангобом и глазурью.
Глинобитные жилища трипольской культуры. (4-3-е тысячелетиедо н. э), обжигавшиеся снаружи кострами и расписывавшиеся, — первый примерприменения керамики в качестве стройматериала. С развитием техники добыванияметаллов керамика стала необходима и в металлургии (сопла горнов, тигли,литейные формы, льячки). Первоначально керамические изделия формовались от рукии обжигались на костре или в домашней печи. Позже, уже в классовом обществе,появились специалисты-гончары, пользовавшиеся гончарным кругом (илиоттискивавшие изделия в специальной форме) и гончарным горном. Народам Америкидо появления европейцев гончарный круг не был известен, однако и у нихсуществовало самобытное керамическое производство (наиболее ранние изделияотносятся к рубежу 3 и 2-го тысячелетия до н. э). Особенно высокого развитияоно достигло у майя, инков и ацтеков, изготовлявших разнообразную бытовую икультовую посуду, маски, статуэтки и др. Часть изделий покрывалась яркойросписью. В Древнем Египте, Вавилонии и других древних странах Ближнего Востокавпервые стали покрывать парадную посуду цветной глазурью и применять дляпостроек кирпич (сначала сырцовый, позже — обожжённый). Для украшения зданий вЕгипте и Древнем Иране употребляли глазурованные кирпичи и изразцы.
Древнеиндийские цивилизации знали разнообразную расписнуюпосуду, по формам близкую к посуде Двуречья, кирпичные плитки для мощения полов,статуэтки, таблички с письменами. В Древнем Китае во 2-1-м тысячелетии до н.э. изготовлялисьглазурованная посуда и отдельные сосуды из высококачественной белой глины — каолина,который в 1-м тысячелетии н.э. стал материалом первых фарфоровидных изделий, азатем и настоящего фарфора.
Важное место в истории керамика занимает древнегреческаякерамика, оказавшая большое влияние на многих народов. Особенно славиласьразнообразная (20 видов) и совершенная по форме посуда. Парадные сосудыукрашали обычно изящной не многоцветной росписью на мифологические и бытовыетемы (так называемая чернофигурная и краснофигурная живопись на вазах). Великолепныеобразцы малой скульптуры представляют собой терракотовые статуэтки, главнымцентром производства которых была Танагра.
Терракотовые архитектурные детали, черепица, водопроводныетрубы изготовлялись как в Древней Греции, так и в Древнем Риме, где вособенности развилось производство кирпича, из которого сооружались сложныеконструкции (например, своды перекрытий, пролёты мостов, акведуки). Римскаяпарадная посуда большей частью оттискивалась в деревянных или керамическихформах, на которых был вырезан рельефный орнамент, и покрывалась красным лаком.У римлян и этрусков достигло расцвета изготовление керамических погребальныхсосудов — урн, известных также многим другим народам, придерживавшимся обрядатрупосожжения. Этрусские и римские урны украшались скульптурными изображениями(например, сцены пиршеств). Традициям римской К. в основном следовалопроизводство К. Византии, испытавшее, однако, и влияние Ближнего Востока (особеннов декорировке поверхности сосудов и в архитектуре керамики). Уже с 6 в. византийскиемастера перестали применять красный лак, а с 9 в. стали делать посуду срельефным орнаментом, изображающим зверей и птиц и покрытым прозрачной глазурью.Византийский тонкий квадратный кирпич — «плинфа» оказал влияние напроизводство кирпича в Древней Руси.
В Древней Руси с 10 в. изготовляли на гончарном кругеразнообразную посуду, некоторые сосуды покрывали зелёной глазурью. Глазуровалитакже плитки для полов и игрушки. На посуде и кирпичах обнаружены клеймамастеров, среди них имена Стефана и Якова. После упадка, вызванногомонголо-татарским нашествием, производство керамики возродилось к 14-15 вв. Главнымего центром стала Гончарная слобода Москвы (в районе современной ул. Володарского),где к 17 в. были уже довольно крупные мастерские типа мануфактур, производившиепосуду (16 видов), игрушки, светильники, чернильницы, музыкальные инструменты,с 18 в. — курительные трубки. В Псковской земле известны и керамическиеглазурованные надгробия. Основными стройматериалами были кирпич, черепица,плитки, трубы; уже с 16 в. появились царские кирпичные заводы и первыйстандартный «государев большой кирпич». Для украшения фасадов зданийи внутренних помещений делали изразцы — терракотовые и глазурованные (зелёные — «муравленые» и полихромные — «ценинные»). В 17 в. известныработавшие в Москве мастера Петр Заборский, Степан Иванов, Иван Семенов, СтепанБуткеев и др. Производство изразцов было также в Ярославле и др. городах. С 18в. рельефные изразцы вытесняются гладкими. В выборе сюжетов изображенийсказывалось влияние народных лубочных картин.
В 1744 в Петербурге был основан первый в Россиигосударственный фарфоровый завод (ныне завод им. М.В. Ломоносова); в 1766 вВербилках под Москвой — частная фабрика Ф.Я. Гарднера; позже возникло множестводр. частных предприятий, из которых самыми крупными в 19-начале 20 вв. стализаводы М.С. Кузнецова. Наряду с заводским производством фарфора, строительной итехнической К. сохранялось кустарное производство бытовой и художественной К. Существовалонесколько промышленных районов со своими традициями (Гжель, Скопин и др.). Оразвитии керамического производства см. в статьях Строительных материаловпромышленность и Фарфоро-фаянсовая промышленность.Виды конденсаторов
Керамический конденсатор.
Конденсатор, у которого диэлектриком служит керамика наоснове главным образом титанатов циркония (ZrTiO3), кальция (CaTiO3), никеля (NiTiO3)и бария (BaTiO3). В особых случаях применяют конденсаторную керамику на базеAl2O3, SiO2, MgO и др. Ёмкость конденсатора определяется от доли пикофарада донескольких микрофарад. Рабочее напряжение от нескольких десятков вольт додесятков киловольт.
Конденсатор электрический, система из двух или болееэлектродов (обкладок), разделённых диэлектриком, толщина которого мала посравнению с размерами обкладок; такая система электродов обладает взаимнойэлектрической ёмкостью. Конденсатор электролетический в виде готового изделияприменяется в электрических цепях там, где необходима сосредоточенная ёмкость. Диэлектрикомв нем служат газы, жидкости и твёрдые электроизоляционные вещества, а такжеполупроводники. Обкладками электролитического конденсатора с газообразным ижидким диэлектриком служит система металлических пластин с постоянным зазороммежду ними. В нем с твёрдым диэлектриком обкладки делают из тонкойметаллической фольги или наносят слои металла непосредственно на диэлектрик. Длянекоторых типов на поверхность металлической фольги (1-я обкладка) наноситсятонкий слой диэлектрика; 2-й обкладкой является металлическая илиполупроводниковая плёнка, нанесённая на слой диэлектрика с другой стороны, илиэлектролит, в который погружается оксидированная фольга. В интегральных схемахприменяются два принципиально новых вида электролитических конденсатора: диффузионныеи металл-окисел-полупроводниковые (МОП). В диффузионных конденсаторахиспользуется ёмкость созданного методом диффузии р — n-перехода, котораязависит от приложенного напряжения. В типи МОП в качестве диэлектрикаиспользуется слой двуокиси кремния, выращенный на поверхности кремниевойпластины. Обкладками служат подложка с малым удельным сопротивлением (кремний) итонкая плёнка алюминия.
Особенности.
Ниже я взял конкретный пример керамического конденсатора, т.к.на практике мы чаще всего ими пользуемся.Особенности керамического конденсатора
Керамические конденсаторы являются естественным элементомпрактически любой электронной схемы. Они применяются там, где необходимаспособность работать с сигналами меняющейся полярности, необходимы хорошиечастотные характеристики, малые потери, незначительные токи утечки, небольшиегабаритные размеры и низкая стоимость. Там же, где эти требования пересекаются,они практически незаменимы. Но проблемы, связанные с технологией ихпроизводства, отводили этому типу конденсаторов нишу устройств малой ёмкости. Действительно,керамический конденсатор на 10 мкФ ещё недавно воспринимался как удивительнаяэкзотика, и стоило такое чудо как горсть алюминиевых электролитических, такихже ёмкости и напряжения, либо как несколько аналогичных танталовых.
Однако, развитие технологий позволило к настоящему временисразу нескольким фирмам заявить о достижении ими ёмкости керамическихконденсаторов 100 мкФ и анонсировать начало производства приборов ещё большихноминалов в конце этого года. А сопровождающее этот процесс непрерывное падениецен на все изделия данной группы заставляет внимательнее присмотреться ковчерашней экзотике, чтобы не отстать от технического прогресса и сохранитьконкурентоспособность.
Структура многослойного керамического конденсатора.
/>
Несколько слов о технологиях. Говоря о керамическихконденсаторах, мы будем рассматривать многослойные керамические структуры. структураа на рисунке который вы увидите ниже бет показан срез с изделия одного измировых лидеров их производства — японской фирмы Murata.
Рисунок 2. Срез структуры конденсатора фирмы Murata (увеличено)/>
Ёмкость многослойных керамических конденсаторов определяетсяформулой:
/>.
де e0 — константа диэлектрической проницаемости вакуума; e — константа диэлектрической проницаемости, используемой в качестве диэлектрикакерамики; S0 — активная площадь одного электрода; n — число слоёв диэлектрика; d- толщина слоя диэлектрика.
Таким образом, увеличения ёмкости конденсатора можнодобиться уменьшением толщины слоёв диэлектрика, увеличением числа электродов,их активной площади и увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этимвозможность увеличения количества электродов — основной способ увеличенияёмкости керамических конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит сснижению напряжения пробоя, поэтому конденсаторы большой ёмкости на высокоерабочее напряжение встречаются редко.
Увеличение числа слоёв диэлектрика — процесс, технологическисвязанный с уменьшением толщины единичного слоя. Следующий рисунок отображает технологическиетенденции последних лет в этой области, представленные фирмой Murata.
Взаимозависимость толщины слоя диэлектрика и числа слоёвмногослойных конденсаторов.
/>
Увеличение активной площади одного электрода — этоувеличение габаритных размеров конденсатора — крайне неприятное явление,приводящее к резкому росту стоимости изделия.
Увеличение диэлектрической проницаемости при заметномувеличении ёмкости приводит к существенному ухудшению температурнойстабильности и сильной зависимости ёмкости от приложенного напряжения.
Теперь рассмотрим возможности и особенности применениякерамических конденсаторов большой ёмкости. Перед началом обсуждения стоитобратить внимание на уже имеющиеся предложения и ближайшие планы лидеровотрасли фирм Murata и Samsung Electro-Mechanics, представленные в таблице:
/>
Естественной областью применения подобного спектракерамических конденсаторов большой ёмкости может быть замена ими танталовых иалюминиевых конденсаторов для поверхностного монтажа в схемах подавленияпульсаций, разделения постоянной и переменной составляющих электрическогосигнала, интегрирующих цепочках. Однако, при этом необходимо учитыватьпринципиальные различия между этими группами деталей, делающие, в большинствеслучаев, бессмысленными замены вида электролитический конденсатор «номиналx напряжение» на керамический конденсатор аналогичного «номинала xнапряжения». Рассмотрим коротко основные причины этого.
Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость ихимпеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) от частоты. Типичныезависимости такого рода для керамических, танталовых и алюминиевыхконденсаторов приведены ниже на рисунках.
/>
/>
Существенная разница в импедансе керамических конденсаторовна частотах выше 1 кГц с алюминиевыми электролитическими и свыше 10 Гц станталовыми конденсаторами позволяет в некоторых случаях использовать длясглаживания пульсаций напряжения номиналы меньшей ёмкости для полученияаналогичного эффекта. Данные, характеризующие разницу в величине сглаживанияпаразитных синусоидальных пульсаций различных частот конденсаторами разноготипа, но одинаковой ёмкости 10 мкФ, даны в таблице.
/>
Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовымконденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можноиспользовать керамический конденсатор ёмкостью 1,0-2,2 мкФ. Экономия места наплате и денег очевидна.
Низкое эквивалентное последовательное сопротивление исвязанные с ним малые потери позволяют значительно сильнее нагружатькерамические конденсаторы, нежели электролитические, не вызывая при этом критическогодля детали разогрева, несмотря на их значительно более скромные габаритныеразмеры. Сравнительные кривые разогрева конденсаторов токами пульсацииразличной частоты приведены ниже на рисунках.
/>
Ещё одним немалым плюсом керамических конденсаторов являетсяих способность выдерживать кратковременные высокие напряжения перегрузки,многократно превышающие номинальные. Кто выбирал сглаживающие конденсаторы дляимпульсных источников питания, знает, как это важно, ибо в моменты запуска ивыключения в них могут генерироваться импульсы амплитудой до несколькихзначений выходного напряжения, вынуждая использовать электролитическиеконденсаторы с большим запасом по напряжению.
Сравнительные характеристики напряжения пробоя для различныхтипов конденсаторов по результатам тестов, проведённых фирмой Murata, приведенына рисунке:
/>
Теперь несколько слов о грустном. При всех своихдостоинствах, керамические конденсаторы большой ёмкости производятся сиспользованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностьюявляется сильная зависимость диэлектрической проницаемости, а с ней, согласно (1),и ёмкости от температуры и приложенного напряжения. Типичные зависимости такогорода для конденсаторов разных типов показаны ниже на двух рисунках.
Температурная зависимость ёмкости конденсаторов
/>
Зависимость ёмкости конденсаторов от приложенногонапряжения
/>
Из них видим, что при достаточно жёстких требованиях кстабильности номинала, например, во времязадающих цепях или при развязкепостоянной и переменной составляющих, на замену электролитическим конденсаторамможно рекомендовать только керамические с диэлектриком X7R, который можетоказаться ещё более интересным, если принять во внимание его допустимыйдиапазон рабочих температур — 55: +125°С, позволяющий ему найти применение какв аппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и вавтомобильной технике, с её жёсткими требованиями к сохранениюработоспособности при высоких температурах.
Однако, для сглаживающего конденсатора стабильность номиналане является критическим параметром. Поэтому можно рассчитывать и на высокуювостребованность приборов на основе менее стабильной керамики Y5V, из которойможно получить детали меньшего габарита и стоимости.
Маркировка и классификация конденсаторов
Классификация конденсаторов возможна по разным признакам. Целесообразнеевсего классифицировать их по роду диэлектрика. Сокращенные обозначения,позволяющие определить, к какому типу относится конкретный конденсатор,содержат три элемента.
Первый элемент (одна или две буквы) обозначает группуконденсаторов:
К — конденсатор постоянной емкости;
КТ — конденсатор подстроечный;
КП — конденсатор переменный.
Второй элемент — число, обозначающее разновидностьконденсаторов:
1 — вакуумный;
2 — воздушный;
3 — с газообразным диэлектриком;
4 — с твердым диэлектриком;
10 — керамические на номинальное напряжение до 1600 В;
15 — керамические на номинальное напряжение 1600 В и выше;
20 — кварцевые;
21 — стеклянные;
22 — стеклокерамические;
23 — стеклоэмалевые;
31 — слюдяные малой мощности;
32 — слюдяные большой мощности;
40 — бумажные на номинальное напряжение до 2 кВ с обкладкамииз фольги;
41 — бумажные на номинальное напряжение 2 кВ и выше собкладками из фольги;
42 — бумажные с металлизированными обкладками;
50 — электролитические фольговые алюминиевые;
51 — электролитические фольговые танталовые, ниобиевые и др.;
2 — электролитические объемно-пористые;
53 — полупроводниковые оксидные;
54 — металлические оксидные;
60 — воздушные;
61 — вакуумные;
71 — полистирольные;
72 — фторопластовые;
73 — полиэтилентерефталатные;
75 — комбинированные;
76 — лакопленочные;
77 — поликарбонатные.
Третий элемент — порядковый номер конденсатора,присваиваемый при разработке.
Маркировка конденсаторов.
На конденсаторах достаточно большого размера обозначаютсятип, номинальная емкость и допустимое отклонение емкости от номинальной впроцентах, номинальное напряжение, маркировка завода изготовителя, месяц и годвыпуска. Если конденсатор данного типа выпускаются только одного классаточности, то допуск не маркируют. На слюдяных и некоторых других конденсаторахуказывают группу ТКЕ.
Для маркировки конденсаторов применяют обозначенияустановленные ГОСТ 11076-69 (СТ СЭВ 1810-79). В зависимости от размеровконденсатора применяются полные или сокращенные (кодированные) обозначения. Полноеобозначение номинальной емкости должно состоять из значения номинальной емкостипо ГОСТ 2519-67 и обозначения единицы измерения. Кодированное обозначениеноминальной емкости должно состоять из трех или четырех знаков, включающих двеили три цифры и букву. Буква код обозначает множитель, составляющей значениеемкости. Латинскими или русскими буквами p или П, n или Н, m или М, m или И, Fили Ф обозначаются множители 10-12, 10-9, 10-6, 10-3, 1 соответственно длязначений емкости, выраженной в фарадах. Эти буквы используются в качествезапятых при указании дробных значений емкости. Например,
5.6 пФ — 5p6 или 5П6;
150 пФ — 150p (n15) или 150П (М15);
3.3 нФ — 3n3 или 3Н3;
2.2 мкФ — 2m2 или 2М2;
150 мкФ — 150m (m15) или 150М или И150
Кодированные обозначения допустимых отклонений емкости отноминальной приведены в таблице 1.
/>
* Допустимые отклонения емкости, выраженные в пикофарадах,кодируются такими же буквами.
Полное обозначение номинального напряжения конденсаторасоставляется из значения номинального напряжения по ГОСТ 9665-77 и обозначенияединицы измерения (V — для напряжения до 800 В, kV — для напряжений 1 кВ и выше).Кодированное обозначение номинального напряжения конденсаторов приведены втаблице 2.
/>
Полные и кодированные обозначения групп по температурнойстабильности емкости приведены в таблице 3. Для маркировки группы ТКЕиспользуется также цветной код — окраска корпуса в определенный цвет (таблица 3),а для маркировки допустимых изменений емкости при изменении температуры — цветнойкод в виде точки определенного цвета (таблица 4).
/>
Для стеклокерамических конденсаторов +0.012-0.01 и ±0.01соответственно.
/>
Примечание:
1. Конденсаторы могут быть покрыты эмалью любого цвета смаркировкой буквами и цифрами или двумя рядом расположенными знаками (точки илиполоски). При этом конденсаторы групп П100, П33, М47, М750, М1500 должны иметьцветной знак, соответствующий цвету покрытия конденсатора. Для других группцвет первого знака должен соответствовать цвету покрытия, а второй — цвету,указанному в графе «цвет знака». В последнем случае площадь первогознака должна быть приблизительно в два раза больше площади второго.
2. Маркировочный знак на трубчатых конденсаторах помещаетсясо стороны вывода внешнего электрода.
Кодированное обозначение номинальной емкости и допустимыхотклонений емкости маркируют на конденсаторе одной строчкой без разделительныхзнаков. На малогабаритных конденсаторах обозначение допустимых отклоненийемкости может быть в другой строке (под обозначением номинальной емкости). Кодированныеобозначения других данных проставляются после буквы, обозначающей допустимыеотклонения емкости, в порядке, установленном ГОСТ или ТУ на конкретныеконденсаторы.
В последние годы на конденсаторы часто наносят кодированноезначение даты изготовления. Эти обозначения располагаются после основного кодаи могут состоять либо из двух букв латинского алфавита, либо из одной такойбуквы и арабской цифры. Условные обозначения, присвоенные годам, приведены в таблице.
Микросхемах
/>
2. Применение и эксплуатацияЭксплуатационные факторы и их воздействие
Эксплуатационная надежность конденсаторов в аппаратуре вомногом определяется воздействием комплекса факторов, которые по своей природеможно разделить на следующие группы:
электрические нагрузки (напряжение, ток, реактивнаямощность, частота переменного тока);
климатические нагрузки (температура и влажность окружающейсреды, атмосферное давление, биологические факторы и т.д.)
механические нагрузки (вибрация, удары, постояннодействующее ускорение, акустические шумы);
радиационные воздействия (поток нейтронов, гамма-лучи,солнечная радиация и др.).
Под воздействием указанных факторов происходит изменениепараметров конденсаторов. В зависимости от вида и длительности нагрузки уходыпараметров складываются из обратимого (временного) и необратимого изменений.
Обратимые изменения параметров вызываются кратковременнымвоздействием нагрузок, не приводящих к изменению свойств конструкционныхматериалов и проявляющихся лишь в условиях воздействия нагрузок. После снятиянагрузки параметры конденсаторов, принимают значения, близкие к начальным.
Климатические нагрузки. Температура и влажность окружающейсреды являются важнейшими факторами, влияющими на надежность, долговечность исохраняемость конденсаторов. Длительное воздействие повышенной температурывызывает старение диэлектрика, в результате чего параметры конденсаторовпретерпевают необратимые изменения. Предельно допустимая температура дляконденсаторов ограничивается заданием максимальной положительной температурыокружающей среды и величиной электрической нагрузки. Применение конденсаторов вусловиях, превышающих эти ограничения, недопустимо, так как может вызватьрезкое ухудшение параметров (снижение сопротивления изоляции и электрическойпрочности, уменьшение емкости, увеличение тока и тангенса угла потерь),нарушение герметичности спаев, ухудшение изоляционных и защитных свойстворганических покрытий и заливочных материалов, а в ряде случаев может привестик полной потере работоспособности конденсаторов.
Наряду с внешней температурой на конденсаторы в составеаппаратуры может дополнительно воздействовать теплота, выделяемая другимисильно нагревающимися при работе аппаратуры изделиями (мощные генераторные имодуляторные лампы, резисторы и т.п.).
Тепловое воздействие на конденсаторы может быть какнепрерывным, так и периодически изменяющимся. Резкое изменение температурыможет вызвать механические напряжения в разнородных материалах, нарушениегерметичности паяных соединений, появление трещин, зазоров в деталяхконденсаторов.
У оксидных конденсаторов при низких температурахувеличивается тангенс угла потерь. Все типы оксидных конденсаторов с жидким илипастообразным электролитом при температурах ниже 60°С практическинеработоспособны из-за резкого снижения емкости и увеличения тангенса углапотерь.
При эксплуатации конденсаторов в условиях сверхнизкихтемператур (до минус 180° С) за счет повышения хрупкости ряда конструкционныхматериалов возможно ухудшение механической прочности конденсаторов.
С ростом температуры окружающей среды напряжение наконденсаторе должно снижаться. В условиях повышенной влажности на электрическиехарактеристики конденсаторов влияет как пленка воды, образующаяся наповерхности (процесс адсорбции), так и внутреннее поглощение влаги диэлектриком(процесс сорбции). Для герметизированных конденсаторов характерны толькоадсорбционные процессы. У конденсаторов, не имеющих вакуум но плотнойгерметизации, возможно также внутреннее проникновение влаги.
Длительное воздействие повышенной влажности наиболее сильносказывается на изменении параметров негерметизированных конденсаторов. Наименьшуювлагостойкость имеют негерметизированные бумажные и металлобумажные, а такжеслюдяные спрессованные конденсаторы. Проникновение влаги внутрь конденсаторовснижает сопротивление изоляции (особенно при повышенных температурах) иэлектрическую прочность, увеличивает тангенс угла потерь и емкость. Особенноопасно для негерметизированных конденсаторов одновременное длительноевоздействие повышенной влажности и электрической нагрузки. При этом укерамических конденсаторов с открытым междуэлектродным зазором возможноснижение сопротивления изоляции или электрический пробой за счет миграции ионовметалла обкладок (особенно серебра) по торцу конденсатора, а у металлобумажныхконденсаторов разрушение обкладок, за счет процессов электролиза. Послепребывания конденсаторов в нормальных климатических условиях (особенно послеподсушки) адсорбированная влага удаляется и герметизированные конденсаторыпрактически полностью восстанавливает свои параметры.
Кроме непосредственного влияния на электрическиехарактеристики конденсаторов влага вызывает коррозию металлических деталей иконтактной арматуры конденсаторов, облегчает условия развития различныхплесневых грибков. Появление плесени может вызвать обесцвечивание и разрушениезащитных покрытий и маркировки, ухудшение изоляционных свойств органическихматериалов, способствует образованию слоя влаги на конденсаторах.
В морских районах вредное влияние влаги усиливается за счетприсутствия в атмосфере солей, входящих в состав морской воды, что увеличиваетэлектропроводность увлажненных поверхностей, изоляционных материалов, облегчаетусловия электролиза и коррозии металлов.
В промышленных районах конденсируемая на поверхностиконденсаторов влага может содержать растворы сернистых и других агрессивныхсоединений, усиливающих вредное действие влаги.
При снижении внешней температуры внутри блоков аппаратурымогут создаваться условия, благоприятные для образования инея и выпадения росы.Воздействие инея и росы практически не сказывается на работоспособностинизковольтных конденсаторов. Однако наличие влаги на поверхности конденсаторовпри выпадении росы может увеличить поверхностную проводимость и привести кснижению сопротивления изоляции, а у высоковольтных конденсаторов — к снижениюэлектрической прочности. После испарения росы электрические характеристикиконденсаторов восстанавливаются. Время восстановления зависит от габаритов,конструкции, теплоемкости и других характеристик изделия. Полностью сохраняютработоспособность при воздействии инея и росы конденсаторы с оксиднымдиэлектриком.
Конденсаторы не подвергаются непосредственному воздействиюсолнечной радиации, атмосферных осадков, песка и пыли. Однако пыль и песокспособствуют коррозии металлических деталей и развитию плесени, а попадая взазоры между трущимися частями подстроечных конденсаторов, ускоряют их износ.
Повышенное (до 3 атм) давление не оказывает существенноговлияния на работу конденсаторов. В условиях низкого давления снижается электрическаяпрочность воздушного промежутка и создаются условия для пробоев и перекрытия. Дляизбежания пробоев и перекрытия при пониженном атмосферном давлении необходимоснижать напряжение на конденсаторе. Кроме того, при пониженном атмосферномдавлении ухудшается отвод теплоты от конденсатора, а в условиях глубокоговакуума (давление менее 1,3-106 Па) возможна сублимация (испарение) твердыхматериалов. В условиях низкого давления у негерметичных оксидных конденсаторовс жидким или пастообразным электролитом за счет испарения легко летучихкомпонентов происходит, интенсивная потеря электролита, что резко снижает сроких службы. Ухудшение механической прочности B эластичности органическихматериалов узла уплотнения за счет сублимации увеличивает скорость потери электролита.Механические нагрузки
При эксплуатации и транспортировании аппаратуры конденсаторыподвергаются воздействию различного вида механических нагрузок: вибрации,одиночным и многократным ударам, линейному ускорению, акустическим нагрузкам. Наиболееопасными являются вибрационные и ударные нагрузки.
Воздействие механических нагрузок, превышающих допустимыенормы, может вызвать обрывы выводов и внутренних соединений, увеличение токаутечки у оксидных конденсаторов, появление трещин в керамических корпусах иизоляторах, снижение электрической прочности, изменение установленной емкости уподстроенных конденсаторов. Высокие уровни разрушающих усилий могут возникатьпри воздействии ударных нагрузок, если составляющие спектра ударного импульсасовпадают с собственными резонансными частотами конденсатора.
Воздействие механических нагрузок на вакуумные конденсаторыможет вызвать изменение емкости, синхронное с частотой вибрации 2R и моментомвоздействия ударных нагрузок. У оксидных конденсаторов (особенно у танталовых сжидким электролитом) во время воздействия вибрационных и ударных нагрузоквозможны кратковременные броски тока утечки из-за локальных разрушенийоксидного слоя.
Радиационные воздействия
Развитие атомной энергетики и освоение космоса выдвигаеттребование по устойчивости комплектующих элементов (в том числе конденсаторов) квоздействию ионизирующих излучений, глубокого вакуума и сверхнизких температур.Воздействие ионизирующих излучений может как непосредственно вызвать изменениеэлектрических и эксплуатационных характеристик конденсаторов, так испособствовать ускоренному старению конструкционных материалов при последующемвоздействии других факторов. Характер и скорость изменения параметров зависятот дозы, интенсивности и энергетического спектра излучения и в значительноймере определяются видом рабочего диэлектрика и конструкцией конденсатора.
Процессы, протекающие в конденсаторах в условиях воздействияионизирующих излучений, коренным образом отличаются от процессов старения вобычных условиях эксплуатации. В результате воздействия ионизирующих излученийв конденсаторах также могут возникать явления, приводящие к обратимым илиостаточным изменениям их электрических параметров.
Обратимые изменения связаны с процессами ионизациидиэлектрических материалов и воздуха и сопровождаются в основном резкимснижением сопротивления изоляции и увеличением тока утечки вследствиеобразования поверхностных и внутренних объемно-распределенных зарядов. Увеличиваетсятакже тангенс угла потерь, особенно на низких частотах. После прекращенияоблучения сопротивление изоляции (ток утечки оксидных конденсаторов) вбольшинстве случаев восстанавливается. Время восстановления зависит от типадиэлектрика, дозы и мощности излучения.
Остаточные изменения параметров связаны в основном сустойчивыми нарушениями структуры рабочего диэлектрика, а также защитных изаливочных материалов. При воздействии ионизирующих излучений наиболее сильноизменяются структура и механические свойства полимерных материалов, применяемыхв пленочных и комбинированных конденсаторах. Структурные изменениясопровождаются, как правило, интенсивным газовыделением. Сравнительно быстрымизменениям подвергаются пропитывающие составы, и целлюлоза, являющаяся основнымкомпонентом конденсаторной бумаги. Поэтому конденсаторы с органическимдиэлектриком более чувствительны к воздействиям излучения, чем конденсаторы снеорганическим диэлектриком. Наиболее устойчивы к воздействию ионизирующихизлучений керамические конденсаторы типа 1.
Радиационные нарушения структуры материалов могут приводитьи к ухудшению основных эксплуатационных характеристик конденсаторов — срокаслужбы, механической и электрической прочности, влагостойкости.
Электрические нагрузки
Наибольшие необратимые изменения параметров вызываютсядлительным воздействием электрической нагрузки, при которой происходят процессыстарения, ухудшающие электрическую прочность. Это необходимо учитывать, выбираязначение рабочего напряжения, особенно при длительной эксплуатацииконденсаторов. При постоянном напряжении основной причиной старения являютсяэлектрохимические процессы, возникающие в диэлектрике под действием постоянногополя и усиливающиеся с повышением температуры и влажности окружающей среды. Степеньих влияния на параметры конденсаторов определяется видом диэлектрика иконструктивным исполнением конденсатора. При этом суммарное изменениепараметров конденсаторов не превышает значений, гарантируемых на периодминимальной наработки, приведенных в справочных данных.
При переменном напряжении и импульсных режимах основнойпричиной старения являются ионизационные процессы, возникающие внутридиэлектрика или у краев обкладок, преимущественно в местах газовых включений. Данноеявление характерно в основном для высоковольтных конденсаторов. Ионизацияразрушает органические диэлектрики в результате бомбардировки их возникающимиионами и электронами, а также за. счет агрессивного действия на диэлектрикобразовавшихся озона и окислов азота. Для керамических материалов ионизация взакрытой поре вызывает сильный местный разогрев, в результате которогопоявляются механические напряжения, сопровождающиеся растрескиванием керамики ипробоем по трещине.
Несмотря на то что допускаемое значение напряженностиэлектрического поля в диэлектрике конденсатора при его испытаниях выбирается снекоторым запасом, эксплуатация под электрической нагрузкой, превышающейноминальное напряжение, резко снижает надежность конденсаторов.
Превышение допустимой переменной составляющей напряженияможет вызвать нарушения теплового равновесия в конденсаторе, приводящего ктермическому разрушению диэлектрика. Развитие этого явления обусловлено тем,что активная проводимость диэлектрика возрастет с повышением температуры.
Наиболее устойчивы к воздействию электрическихэксплуатационных нагрузок и стабильны защищенные керамические конденсаторы типа1. Среди оксидных конденсаторов наиболее стабильны оксидно-полупроводниковыегерметизированные конденсаторы. Низкая стабильность электролитических оксидныхконденсаторов объясняется наличием в них жидкого или пастообразногоэлектролита, сопротивление которого в большей степени зависит от температурыокружающей среды, чем у оксидно-полупроводниковых конденсаторов. Длительноевоздействие электрической нагрузки, особенно при повышенных температурах,вызывает испарение летучих фракций электролита, что еще больше повышаетсопротивление электролита и резко ухудшает температурную и частотнуюзависимости емкости и тангенса угла потерь. Наиболее интенсивно этот процесспротекает у алюминиевых конденсаторов малых габаритов с электролитом на основедиметилформамида.
При длительной эксплуатации под электрической нагрузкойнекоторых типов танталовых электролитических конденсаторов возможно снижениеемкости за счет пассивации катода, а также возникновение отказов, связанных сразрушением серебряного корпуса и вытеканием вследствие этого электролита. Повышениеамплитуды переменной составляющей напряжения ускоряет этот процесс. Новые типыконденсаторов с танталовым корпусом лишены этого недостатка и имеют повышеннуюстабильность параметров и более высокую долговечность.Частотные свойства и особенности их работы в импульсныхрежимах
При выборе конденсаторов для работы в цепях переменного илипульсирующего тока необходимо учитывать их частотные свойства, определяемыерядом конструктивных факторов: типом диэлектрика, значениями индуктивности иэквивалентного последовательного сопротивления, конструкцией и др. Работоспособностьконденсаторов при переменном напряжении ограничивают в основном следующиефакторы:
тепловыделение, пропорциональное средней мощности, котороеможет резко возрастать при превышении допустимых режимов эксплуатации исоздавать условия для теплового пробоя конденсатора;
напряженность электрического поля, воздействующего надиэлектрик конденсатора и вызывающего его электрическое старение;
ток, протекающий через конденсатор, при большой плотностикоторого возможны локальный перегрев и разрушение контактных узлов, выгораниеметаллизированных обкладок и т.п.;
температура окружающей среды.
Наиболее высокими частотными свойствами обладаюткерамические конденсаторы типа 1, слюдяные и конденсаторы из неполярных пленок(полистирольные, полипропиленовые и др.).
В связи с тем что с повышением частоты растут потери энергиив конденсаторе, для сохранения теплового баланса в конденсаторе и исключениявозможности возникновения пробоя с повышением частоты необходимо снижатьамплитуду переменной составляющей.
У керамических и слюдяных конденсаторов допустимая величинапеременной составляющей напряжения определяется исходя из допустимой реактивноймощности.
У ряда групп конденсаторов с повышением частоты можетзаметно снижаться эффективная емкость. Уменьшение емкости с ростом частотыпроисходит как за счет снижения диэлектрической проницаемости диэлектрика, таки за счет увеличения эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС).
ЭПС обусловлено потерями в конденсаторе — в диэлектрике, вметаллических частях, в переходных контактных сопротивлениях, в электролите (уоксидных конденсаторов). В обычных конденсаторах ЭПС достаточно мало (доли ома)и снижение емкости с частотой можно заметить лишь в области высоких частот. Наиболеесильная зависимость емкости от частоты имеет место у оксидных конденсаторов (особеннос жидким электролитом) из-за большого удельного сопротивления электролита и егозависимости от частоты. Для этих конденсаторов снижение емкости с частотойнаблюдается, начиная с сотен герц.
В импульсных режимах могут быть использованы конденсаторы,специально сконструированные для этих целей и общего применения. Однако в любомслучае при выборе конденсаторов должны быть учтены особенности их работы приимпульсных нагрузках. Учет особенностей должен производиться с двух сторон: способенли конденсатор данного типа обеспечить формирование или передачу импульса неявляется ли такой режим разрушающим для конденсатора.
Существенное влияние на форму импульса, а также накоэффициент полезного действия устройства, в котором установлен конденсатор,могут оказывать потери энергии в диэлектрике и арматуре конденсатора. Поэтомупри выборе конденсаторов для импульсных режимов следует учитывать ихтемпературно-частотные зависимости емкости, тангенса угла потерь и полногосопротивления. Для решения вопроса о том, не является ли данный импульсныйрежим разрушающим для конденсаторов, необходимо учитывать явления, связанные снагревом конденсатора за счет импульсных токов, с ионизационным старениемдиэлектриков и пр. Указанные явления могут привести к нарушению электрическойпрочности конденсатора и выходу его из строя. Поэтому допустимая импульснаянагрузка, на конденсаторе определяется исходя из следующих параметровимпульсного режима: значений положительных и отрицательных пиков напряжения итока, размаха переменного напряжения на конденсаторе, длительности нарастания испада напряжения, периода и частоты следования импульсов, наличия постояннойсоставляющей.
Выбор конкретных допустимых импульсных нагрузокконденсаторов производится по номограммам, приведенным в нормативнойдокументации, исходя из параметров импульсного режима.
При применении полярных конденсаторов с оксиднымдиэлектриком в импульсных режимах и при пульсирующем напряжении необходимоучитывать, что постоянная составляющая напряжения должна иметь значение,исключающее возможность появления на конденсаторе напряжения обратнойполярности, а сумма постоянного и амплитуды переменного или импульсногонапряжения не должна превышать номинального напряжения.
Конденсаторы находят применение практически во всех областяхэлектротехники.
Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и/илирезисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимымисвойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контурови т.п. .
При быстром разряде конденсатора можно получить импульсбольшой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптическойнакачкой, генераторах Маркса, (ГИН; ГИТ), генераторах Кокрофта-Уолтона и т.п.
Так как конденсатор способен длительное время сохранятьзаряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройствахранения электрической энергии.
В промышленной электротехнике конденсаторы используются длякомпенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.
Как датчики малых перемещений: малое изменение расстояниямежду обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.
В схемах РЗиА конденсаторы используются для реализациилогики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы АПВ использованиеконденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.