Лабораторная работа № 2 Изучение конструкции и технологии изготовления дискретных конденсаторов и оценка их электрических параметров.

Цель работы: 1) изучение технологии изготовления конденсаторов разных конструкций; 2) ознакомление с основными конструкциями и характеристиками конденсаторов; 3) измерение и определение основных параметров конденсаторов.

Продолжительность работы – 4ч.

Теоретические сведения

Электрические конденсаторы – наиболее массовые после резисторов изделия, широко используемые в радиоэлектронной аппаратуре. В связи с быстрым развитием современной электроники потребность в конденсаторах непрерывно возрастает. В настоящее время создана довольно широкая номенклатура этих изделий и продолжают разрабатываться новые типы с более высокими электрическими и эксплуатационными характеристиками.

Электрический конденсатор – это система из двух или более проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, предназначенная для создания электрической емкости между обкладками.

Емкость конденсатора – отношение его заряда к разности потенциалов, которую заряд сообщает ему (конденсатору):

C = q/u,

где С – емкость, Ф; q – заряд, Кл; u – разность потенциалов на обкладках конденсатора, В.

За единицу емкости в международной системе СИ принимают емкость такого конденсатора, потенциал которого возрастает на один вольт при сообщении ему заряда один кулон (Кл). Эту единицу называют фарадой (Ф). Для практических целей она слишком велика, поэтому на практике используют более мелкие единицы емкости: микрофарады (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ)

1Ф = 10⁶ мкФ = 10⁹ нФ = 10¹² пФ.

Для конденсаторов, обкладки которого представляют собой плоские пластины одинакового размера, разделенные диэлектриком, емкость (Ф) в системе СИ определяется из выражения

С = ε₀ε_rS/d,

где ε₀ – электрическая постоянная вакуума, равная 8,85^.10^-12 Ф/м; ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (величина безразмерная); S – площадь пластины, м²; d – толщина диэлектрика, м.

При подключении к обкладкам электрического напряжения в диэлектрике происходит процесс поляризации, заключающийся в ограниченном смещении зарядов или ориентации электрических диполей в электрическом поле. В зависимости от строения диэлектрика в поляризации могут участвовать электроны, ионы, диполи, ядра, отдельные области заряженных частиц (домены), полярные группы молекул. В реальных диэлектриках, как правило, всегда имеет место несколько разных видов поляризации, хотя преобладающим может быть один вид.

В качестве диэлектрика в конденсаторах используются органические и неорганические материалы, в том числе оксидные пленки некоторых металлов. Значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых материалов, используемых в конденсаторах приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Относительные диэлектрические проницаемости некоторых материалов

Материал	εr	Материал	εr
Воздух Кварц Стекло Слюда Стеклоэмаль Стеклокерамика Керамика Сегнетокерамика	1,0006 2,8 4 – 16 6 – 8 10 – 20 15 – 450 12 – 230 900 – 8000	Конденсаторная бумага Триацетат и ацетобутират Поликарбонат Полиэтилентерефталат (лавсан) Полистирол Полипропилен Политетрафторэтилен (фторопласт) Оксидные пленки	3,5 – 6,5 3,5 – 4 2,8 – 3 3,2 – 3,4 2,5 2,2 – 2,3 2 – 2,1 10 – 46

При приложении к конденсатору постоянного напряжения происходит его заряд; при этом затрачивается определенная работа, выражаемая в джоулях (Дж). Она равна запасенной потенциальной энергии

W = CU²/2.

Для сравнения конденсаторов используют удельные характеристики, представляющие собой отношение основных характеристик конденсатора к его объему V или массе m.

Для низкочастотных конденсаторов основными удельными характеристиками являются удельная емкость С_уд (мкФ/см³) или удельный заряд q_уд (мкКл/см³)

С_уд = С/V или q_уд = CU/V.

Для высокочастотных высоковольтных конденсаторов удобной характеристикой является удельная реактивная мощность (В^.А/см³)

Р_уд = ωCU²/V.

Для энергоемких накопительных конденсаторов используются удельная энергия W_уд (Дж/см³) и удельная масса m_уд (г/Дж)

W_уд = CU²/2V, m_уд = 2m/CU².

Тангенс угла потерь δ характеризует потери энергии в конденсаторе и определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты:

tg δ=P_a/P_p=UIcosφ/UIsinφ=cos(90-δ)/sin(90-σ)=sinσ/cosσ,

где φ – угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи конденсатор – источник тока; δ – угол потерь, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз φ.

Конкретное значение тангенса угла потерь зависит от типа диэлектрика и его качества, а также от температуры окружающей среды и от частоты переменного тока, на которой он определяется (измеряется). Как правило, tgδ имеет минимум в области комнатных температур. С ростом частоты значение tgδ увеличивается.

С течением времени (длительное хранение и наработка), а также эксплуатации во влажной среде значение tgδ растет и может увеличиться в несколько раз.