КОНДЕНСА́ТОР ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЙ

КОНДЕНСА́ТОР ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЙ, уст­рой­ст­во, со­стоя­щее из двух или бо­лее элек­тро­дов (об­кла­док), раз­де­лён­ных ди­элек­три­ком, тол­щи­на ко­то­ро­го ма­ла по срав­не­нию с раз­ме­ра­ми об­кла­док; об­ла­да­ет спо­соб­но­стью на­ка­п­ли­вать элек­трич. за­ря­ды. Дей­ст­вие К. э. ос­но­ва­но на по­ля­ри­за­ции ди­элек­три­ка, воз­ни­каю­щей при по­да­че на­пря­же­ния на об­клад­ки. Элек­трич. по­ле по­ля­ри­зо­ван­но­го ди­элек­три­ка ос­лаб­ля­ет элек­трич. по­ле за­ря­дов, со­сре­до­то­чен­ных на об­клад­ках, что, в свою оче­редь, при­во­дит к уве­ли­че­нию (на­ко­п­ле­нию) за­ря­да кон­ден­са­то­ра. К. э. при­ме­ня­ют­ся в элек­трич. це­пях в ка­че­ст­ве эле­мен­та с со­сре­до­то­чен­ной ём­ко­стью элек­три­че­ской. Ём­кость К. э. про­пор­цио­наль­на ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти ди­элек­три­ка $ε$ и тем боль­ше, чем мень­ше тол­щи­на ди­элек­три­ка и чем боль­ше пло­щадь об­кла­док. Для под­клю­че­ния К. э. к эле­мен­там элек­трич. це­пи слу­жат вы­во­ды (про­во­лоч­ные, лен­точ­ные и др.). В ка­че­ст­ве од­но­го из вы­во­дов мо­жет быть ис­поль­зо­ван ме­тал­лич. кор­пус К. э. или спец. кон­такт­ная по­верх­ность.

К. э. час­то вклю­ча­ют­ся груп­па­ми (в ви­де ба­та­рей); при па­рал­лель­ном со­еди­не­нии К. э. об­щая ём­кость ба­та­реи $C_б=C_1+C_2+...+C_n$, а при по­сле­до­ват. со­еди­не­нии $$C_б=(1/C_1+1/C_2+…+1/C_n)^{–1},$$ где $C_1,C_2,...,C_n$ – ём­ко­сти от­дель­ных К. э., со­став­ляю­щих ба­та­рею.

Изо­бре­та­те­лем К. э. счи­та­ют Э. Г. фон Клей­ста (Гер­ма­ния, 1745). В Рос­сии про­стей­шие К. э. впер­вые при­ме­ни­ли М. В. Ло­мо­но­сов и Г. В. Рих­ман в 1752 при ис­сле­до­ва­нии ат­мо­сфер­но­го элек­три­че­ст­ва. Пром. про­из-во К. э. воз­ник­ло в нач. 1900-х гг. в свя­зи с раз­ви­ти­ем элек­тро- и ра­дио­тех­ни­ки.

Осн. па­ра­мет­ры К. э.: но­ми­наль­ная ём­кость $C_н$; ра­бо­чее (но­ми­наль­ное) на­пря­же­ние $U_н$ – пре­дель­но до­пус­ти­мое на­пря­же­ние, при ко­то­ром К. э. мо­жет ра­бо­тать в те­че­ние га­ран­ти­ро­ван­но­го сро­ка служ­бы; про­бив­ное на­пря­же­ние $U_{пр}$, вы­зы­ваю­щее про­бой ди­элек­три­ка за ко­рот­кий про­ме­жу­ток вре­ме­ни (неск. се­кунд); со­про­тив­ле­ние изо­ля­ции $R_{из}$ – от­но­ше­ние ве­ли­чи­ны при­ло­жен­но­го по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния к ста­цио­нар­но­му зна­че­нию то­ка, про­те­каю­ще­му че­рез К. э. по­сле окон­ча­ния его за­ряд­ки, т. н. то­ку утеч­ки; до­пус­ти­мая ре­ак­тив­ная мощ­ность $P_q$; тан­генс уг­ла по­терь $\tan\,δ$ – слу­жит ме­рой по­терь мощ­но­сти, вы­де­лен­ной в ви­де те­п­ло­ты (см. Ди­элек­три­че­ские по­те­ри); соб­ст­вен­ная ин­дук­тив­ность $L$, соз­да­вае­мая об­клад­ка­ми, вы­во­да­ми и др. то­ко­про­во­дя­щи­ми эле­мен­та­ми кон­ден­са­то­ра; тем­пе­ра­тур­ный ко­эф­фи­ци­ент ём­ко­сти (ТКЕ), ха­рак­те­ри­зую­щий за­ви­си­мость из­ме­не­ния ём­ко­сти К. э. от темп-ры. Раз­но­образ­ные об­лас­ти при­ме­не­ния К. э. оп­ре­де­ля­ют ши­ро­кий диа­па­зон зна­че­ний ём­ко­стей (от до­лей пФ до со­тен мФ) и ра­бо­чих на­пря­же­ний (от еди­ниц В до со­тен кВ), а так­же тре­бо­ва­ний к тем­пера­тур­ной ста­биль­но­сти, до­пус­ти­мым по­те­рям энер­гии и др. При этом стре­мят­ся к уве­ли­че­нию зна­че­ний удель­ных ха­рак­те­ри­стик, пред­став­ляю­щих со­бой от­но­ше­ние ём­ко­сти, за­ря­да, за­па­сае­мой энер­гии и ре­ак­тив­ной мощ­но­сти к объ­ё­му или мас­се кон­ден­са­то­ра.

По­те­ри энер­гии в К. э. ог­ра­ни­чи­ва­ют час­тот­ный диа­па­зон на­пря­же­ний, при ко­то­рых он мо­жет на­дёж­но ра­бо­тать. Раз­ли­ча­ют К. э., ра­бо­таю­щие толь­ко на по­сто­ян­ном на­пря­же­нии с на­ло­же­ни­ем не­боль­шой пе­ре­мен­ной со­став­ляю­щей (напр., К. э. с ок­сид­ным ди­элек­три­ком), и К. э., ра­бо­таю­щие как при по­сто­ян­ном, так и при пе­ре­мен­ном на­пря­же­нии. При ра­бо­те К. э. в им­пульс­ных ре­жи­мах не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать его час­тот­ные ха­рак­те­ри­сти­ки и па­ра­мет­ры им­пуль­сов. На­дёж­ность К. э. оп­ре­де­ля­ет­ся ве­ро­ят­но­стью его без­от­каз­ной ра­бо­ты в те­че­ние га­ран­ти­ро­ван­но­го сро­ка служ­бы; ино­гда на­дёж­ность вы­ра­жа­ют в ви­де ин­тен­сив­но­сти от­ка­зов.

По воз­мож­но­сти управ­ле­ния ём­ко­стью К. э. под­раз­де­ля­ют­ся на кон­ден­са­то­ры по­сто­ян­ной ём­ко­сти (наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны) и пе­ре­мен­ной ём­ко­сти (напр., ва­ри­кон­ды, ва­ри­ка­пы). К пе­ре­мен­ным К. э. от­но­сят­ся так­же под­стро­еч­ные кон­ден­са­то­ры, или трим­ме­ры, слу­жа­щие для на­строй­ки и ре­гу­ли­ров­ки ра­дио­элек­трон­ной ап­па­ра­ту­ры. Управ­ле­ние ём­ко­стью пе­ре­мен­но­го К. э. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ме­ха­нич. или элек­трич. спо­со­бом.

Па­ра­мет­ры, кон­ст­рук­ция и об­ласть при­ме­не­ния К. э. оп­ре­де­ля­ют­ся пре­ж­де все­го ди­элек­три­ком, раз­де­ляю­щим его об­клад­ки, по­это­му осн. клас­си­фи­ка­ция К. э. про­во­дит­ся по ти­пу ди­элек­три­ка.

Типы конденсаторов

Раз­ли­ча­ют К. э. с не­ор­га­ни­че­ским (в т. ч. ок­сид­ным), ор­га­ни­че­ским и га­зо­об­раз­ным ди­элек­три­ком. В ка­че­ст­ве ди­элек­три­ка К. э. мо­жет ис­поль­зо­вать­ся за­пор­ный слой на гра­ни­це элек­трон­но-ды­роч­но­го пе­ре­хо­да; в ин­те­граль­ных схе­мах К. э. соз­да­ют на ос­но­ве тон­ко­п­лё­ноч­ных МДП-струк­тур (ме­талл – ди­элек­трик – по­лу­про­вод­ник-струк­ту­ра).

К. э. с не­ор­га­ни­че­ским ди­элек­три­ком – наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ный тип кон­ден­са­то­ров. Ди­элек­три­ком в них слу­жат ке­ра­ми­ка, слю­да, стек­ло и др. Для К. э. это­го ти­па ха­рак­тер­ны: ши­ро­кий диа­па­зон ём­ко­стей – от до­лей пФ до де­сят­ков мкФ, вы­со­кая тем­пе­ра­тур­ная ста­биль­ность, хо­ро­шая со­вмес­ти­мость (по кон­ст­рук­ции и тех­но­ло­гии) с ин­те­граль­ны­ми схе­ма­ми, а так­же от­но­си­тель­ная про­сто­та из­го­тов­ле­ния, что обу­слов­ли­ва­ет их низ­кую стои­мость и наи­бо­лее мас­со­вое про­из-во. Кон­ст­рук­тив­но та­кие К. э. вы­пол­ня­ют од­но­слой­ны­ми (дис­ко­вой, труб­ча­той или пла­стин­ча­той фор­мы) и мно­го­слой­ны­ми. Од­но­слой­ные К. э. в осн. из­го­тов­ля­ют с ке­ра­мич. ди­элек­три­ком, об­клад­ки на­но­сят вжи­га­ни­ем (Ag), оса­ж­де­ни­ем хи­мич. спо­со­бом (Ni, Cu) или на­пы­ле­ни­ем в ва­куу­ме. В мно­го­слой­ных К. э. ис­поль­зу­ют слю­ду, ке­ра­ми­ку, стек­ло, стек­ло­ке­ра­ми­ку. Кон­ст­рук­тив­но слю­дя­ные К. э. пред­став­ля­ют со­бой на­бор (па­кет) плот­но об­жа­тых од­но­слой­ных кон­ден­са­то­ров, со­еди­нён­ных па­рал­лель­но. Наи­бо­лее пер­спек­тив­ны мно­го­слой­ные К. э. с ке­ра­мич., стек­ло­ке­ра­мич. или стек­лян­ным ди­элек­три­ком, вы­пол­нен­ные в ви­де спе­чён­но­го мо­но­лит­но­го па­ке­та из че­ре­дую­щих­ся сло­ёв ди­элек­три­ка и ту­го­плав­ко­го ме­тал­ла (об­кла­док); та­кая кон­ст­рук­ция по­зво­ля­ет снять ог­ра­ни­че­ния по тол­щи­не ди­элек­три­ка (обу­слов­лен­ные его хруп­ко­стью) и су­ще­ст­вен­но по­вы­сить удель­ную ём­кость К. э. Кро­ме то­го, мо­но­лит­ные К. э. бо­лее ус­той­чи­вы к внеш­ним воз­дей­ст­ви­ям, мо­гут ра­бо­тать при вы­со­ких темп-рах (до 300 °C) и об­ла­да­ют вы­со­кой на­дёж­но­стью.

К. э. с не­ор­га­нич. ди­элек­три­ком эф­фек­тив­ны в ши­ро­ком диа­па­зо­не но­ми­наль­ных на­пря­же­ний (от не­сколь­ких В до де­сят­ков кВ). При низ­ких на­пря­же­ни­ях (до 100 В) в ра­дио­элек­трон­ной ап­па­ра­ту­ре по­лу­чи­ли рас­про­стра­не­ние К. э. ём­ко­стью до де­сят­ков мкФ; им свой­ст­вен­на так­же ши­ро­кая об­ласть ра­бо­чих час­тот, вплоть до де­сят­ков и со­тен ГГц. Вы­со­ко­час­тот­ные К. э. (ке­ра­мич., стек­ло­ке­ра­мич., слю­дя­ные и др.) ха­рак­те­ри­зу­ют­ся ма­лы­ми ди­элек­трич. по­те­ря­ми, вы­со­кой тем­пе­ра­тур­ной ста­биль­но­стью и боль­шим со­про­тив­ле­ни­ем изо­ля­ции; низ­ко­час­тот­ные (пре­им. сег­не­то­ке­ра­ми­че­ские) – вы­со­ким элек­трич. со­про­тив­ле­ни­ем, по­вы­шен­ной удель­ной ём­ко­стью и от­но­си­тель­но боль­ши­ми ди­элек­трич. по­те­ря­ми. Вы­со­ко­вольт­ные К. э. (от 4 до 30 кВ) ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в тех­ни­ке вы­со­ких на­пря­же­ний; из­го­тов­ля­ют­ся из спец. ке­ра­ми­ки, имею­щей вы­со­кое про­бив­ное на­пря­же­ние.

В К. э. с ок­сид­ным ди­элек­три­ком (др. назв. – элек­тро­ли­тич. кон­ден­са­тор) од­ной из об­кла­док (ано­дом) яв­ля­ет­ся ме­талл, по­кры­тый сло­ем ок­си­да, ко­то­рый в этом слу­чае вы­пол­ня­ет функ­ции ди­элек­три­ка; др. об­клад­кой (ка­то­дом) слу­жит жид­кий или твёр­дый элек­тро­лит, со­при­ка­саю­щий­ся с ок­сид­ным сло­ем. Ок­сид­ный слой на по­верх­но­сти ме­тал­ла соз­да­ёт­ся в ре­зуль­та­те анод­но­го окис­ле­ния это­го ме­тал­ла. Ма­лая тол­щи­на ок­сид­но­го слоя (50–250 нм) по­зво­ля­ет по­лу­чать боль­шие удель­ные ём­ко­сти, а его вы­со­кая элек­трич. проч­ность (400–600 кВ/мм) – соз­да­вать К. э. с ра­бо­чим на­пря­же­ни­ем до 500 В. Ма­те­риа­лом ано­да обыч­но слу­жит алю­ми­ние­вая, тан­та­ло­вая фоль­га или мел­ко­дис­перс­ный по­ро­шок Al, Ta или Nb. К. э. с фоль­го­вым ано­дом пред­став­ля­ет со­бой ру­лон, на­мо­тан­ный из сло­жен­ных вме­сте фоль­ги (с ок­си­ди­ро­ван­ной по­верх­но­стью) и бу­маж­ной лен­ты, про­пи­тан­ной элек­тро­ли­том и имею­щей ка­тод­ный вы­вод. Анод из по­рош­ка из­го­тов­ля­ют ме­то­дом по­рош­ко­вой ме­тал­лур­гии в ви­де объ­ём­но­го по­рис­то­го те­ла, ко­то­рое по­сле окис­ле­ния его по­верх­но­ст­но­го слоя про­пи­ты­ва­ет­ся элек­тро­ли­том. К. э. с ок­сид­ным ди­элек­три­ком ха­рак­те­ри­зу­ют­ся боль­шой удель­ной ём­ко­стью; ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в элек­трич. фильт­рах низ­кой час­то­ты разл. ис­точ­ни­ков пи­та­ния по­сто­ян­но­го то­ка.

В К. э. с ор­га­ни­че­ским ди­элек­три­ком в ка­че­ст­ве по­след­не­го ис­поль­зу­ют спе­ци­аль­ную (т. н. кон­ден­са­тор­ную) бу­ма­гу, про­пи­тан­ную изо­ляц. мас­лом или твёр­дым ор­га­нич. ве­ще­ст­вом с хо­ро­шими изо­ляц. свой­ст­ва­ми (напр., ок­то­лом), по­ли­мер­ные плён­ки (по­ли­сти­рол, фто­ро­пласт и др.) ли­бо че­ре­дую­щие­ся слои про­пи­тан­ной бу­ма­ги и по­ли­мер­ных плё­нок. Об­клад­ка­ми слу­жит фоль­га (как пра­ви­ло, алю­ми­ние­вая) ли­бо тон­кий слой ме­тал­ла, на­не­сён­ный не­по­сред­ст­вен­но на ди­элек­трик. К. э. с ме­тал­ли­зи­ро­ван­ны­ми об­клад­ка­ми по срав­не­нию с фоль­го­вы­ми име­ют луч­шие удель­ные ха­рак­те­ри­сти­ки за счёт мень­шей тол­щи­ны об­кла­док и бо­лее вы­со­ких гра­ди­ен­тов элек­трич. по­ля в ди­элек­три­ке.

Кон­ст­рук­ция К. э. с ор­га­нич. ди­элек­три­ком обыч­но пред­став­ля­ет со­бой со­вокуп­ность кон­ден­са­тор­ных сек­ций, со­стоя­щих из на­мо­тан­ных сло­ёв ди­элек­три­ка и фоль­ги (или ме­тал­ли­зи­ров. ди­элек­три­ка), за­клю­чён­ных в гер­ме­тич­ный или уп­лот­нён­ный (вла­го­не­про­ни­цае­мый) кор­пус. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли бу­маж­ные К. э., пред­на­зна­чен­ные в осн. для ра­бо­ты в це­пях по­сто­янно­го то­ка, пе­ре­мен­но­го то­ка низ­кой час­то­ты или в им­пульс­ном ре­жи­ме. Но­ми­наль­ная ём­кость бу­маж­ных К. э. со­став­ля­ет от со­тен пФ до со­тен мкФ, но­ми­наль­ное на­пря­же­ние – от со­тен В до де­сят­ков кВ, что обу­сло­ви­ло их ши­ро­кое при­ме­не­ние в тех­ни­ке силь­ных то­ков и вы­со­ких на­пря­же­ний. Плё­ноч­ные К. э. по срав­не­нию с бу­маж­ны­ми име­ют бо­лее вы­со­кую ста­биль­ность ём­ко­сти, ма­лые по­те­ри, вы­со­кое со­про­тив­ле­ние изо­ля­ции, рас­ши­рен­ный час­тот­ный диа­па­зон, по­вы­шен­ную на­дёж­ность и дол­го­веч­ность; ра­бо­чее на­пря­же­ние 0,1–10 кВ, ём­кость 1000 пФ – 1 мкФ. Плё­ноч­ные К. э. ис­поль­зу­ют в ра­дио­ап­па­ра­ту­ре, ра­бо­таю­щей при темп-ре до 200 °C. К. э. с ком­би­ни­ров. бу­маж­но-плё­ноч­ным ди­элек­три­ком при­ме­ня­ют, ко­гда не­об­хо­ди­мы по­вы­шен­ные зна­че­ния за­па­сае­мой энер­гии, напр. для фор­ми­ро­ва­ния элек­трич. им­пуль­сов.

К. э. с га­зо­об­раз­ным ди­элек­три­ком (в т. ч. воз­душ­ные и ва­ку­ум­ные) ха­рак­те­ри­зу­ют­ся ма­лы­ми зна­че­ния­ми tgd и ТКЕ, вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся по­сле про­боя, од­на­ко име­ют весь­ма низ­кую удель­ную ём­кость. Воз­душ­ные К. э. по­сто­ян­ной ём­ко­сти ис­поль­зу­ют­ся в осн. в из­ме­рит. тех­ни­ке в ка­че­ст­ве об­раз­цо­вых мер, кон­ден­са­то­ры пе­ре­мен­ной ём­ко­сти – в ра­дио­пе­ре­дат­чи­ках и ра­дио­при­ём­ни­ках для на­строй­ки ко­ле­ба­тель­ных кон­ту­ров; их ра­бо­чее на­пря­же­ние до 1 кВ, ём­кость 10–1000 пФ. В элек­трич. це­пях вы­со­ко­го на­пря­же­ния (св. 1 кВ) при­меня­ют ва­ку­ум­ные и га­зо­на­пол­нен­ные (азот, хла­дон и др.) кон­ден­са­то­ры. Ва­ку­ум­ные К. э. по срав­не­нию с га­зо­на­пол­нен­ны­ми име­ют мень­шие ди­элек­трич. по­те­ри и бо­лее ус­той­чи­вы к виб­ра­ци­ям; эф­фек­тив­но ра­бо­та­ют в диа­па­зо­не час­тот от 1 до 100 МГц. Зна­че­ние про­бив­но­го на­пря­же­ния ва­ку­ум­ных К. э. не за­ви­сит от ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния, по­это­му они ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в авиац. и кос­мич. ра­дио­ап­па­ра­ту­ре.