Удельные характеристики конденсаторов

Для оценки качества конденсаторов и правильности выполнения их расчета и конструирования используют удельные характеристики, представляющие отношение одной из основных характеристик конденсатора к его объему, весу, или стоимости.

, V – объем диэлектрика [164]

, m – масса конденсатора [165]

, Ц - стоимость [166]

Для плоского конденсатора с площадью обкладок S и толщиной диэлектрика h емкость равна:

[Ф] [167]

при толщине диэлектрика толщины обкладок (металлизированные диэлектрики) имеем:

.

Удельная емкость – основной параметр при постоянном и пульсирующем напряжении.

Для получения максимальных значений удельной емкости нужно применить диэлектрик с большой диэлектрической проницаемостью и минимальной толщиной.

Для фольговых обкладок, где толщина обкладок соизмерима с толщиной диэлектрика:

[168]

Так как толщина диэлектрика выбирается в зависимости от напряжения U, величина удельной емкости также должна зависеть от напряжения.

Используя формулу [167] и вводя в нее напряженность поля Е (полагая, что напряженность не зависит от h)получаем:

[169]

Существует минимальная толщина , ниже которой опуститься нельзя из технологических соображений, связанных с понижением механической прочности при очень малых толщинах, поэтому удельная емкость ограничена:

[170]

Конденсаторы с оксидным диэлектриком имеют наивысшие удельные характеристики, так как толщина оксидного слоя много меньше толщины обкладок имеем (). В этом случае необходимо учесть толщину обкладки и получим:

[171]

Удельный заряд характеризует работу конденсатора при постоянном и пульсирующем напряжении.

Для плоского конденсатора с металлизированными обкладками:

[172]

Удельный заряд зависит от напряжения U слабее, чем .

Для электролитического конденсатора выражение для удельного заряда имеет вид:

[173]

Конденсатор допустимо сопоставлять по удельной емкости и зарядам, если они имеют одинаковые или близкие номинальные значения емкости и рабочих напряжений.

Удельная энергия – основной удельный параметр для импульсных конденсаторов, так как большинство конденсаторов применяют как накопители энергии.

Для плоского конденсатора имеем:

[174]

Для получения большой удельной энергии надо выбирать для изготовления конденсаторов диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой электрической прочностью, позволяющей применять высокие значения рабочей напряженности поля Е.

Удельная реактивная мощность – является удобной характеристикой для сравнения в случае нагружения конденсаторов переменным напряжением.

[175]

Для плоского конденсатора с металлизированными обкладками:

[176]

зависит от частоты. Учитываем, что напряженность поля в диэлектрике будет зависеть от частоты, то есть .

До некоторого значения нагрев конденсатора невелик от его диэлектрических потерь и Е определяется только электрической прочностью, которая мало зависит от частоты в этом диапазоне. =const при . В этом случае возрастает пропорционально частоте.

При нагрев конденсатора достаточно заметен и определяется диэлектрическими потерями, причем мало зависит от частоты. Рабочее напряжение будет определяться допустимым нагревом диэлектрика конденсатора и . С ростом частоты необходимо снижать Е обратно пропорционально частоте, чтобы поддерживать температуру конденсатора неизменной и равной допустимому значению. При этом

[177]

[178]

При сказываются потери в металлических частях конденсатора и растет с частотой почти линейно, то есть , тогда

[179]

и [180]

При удельная реактивная мощность снижается с ростом частоты.

Наилучшее использование конденсатора в области , где достигает максимального значения.

Для конденсаторной секции при расчете водят поправочный коэффициент, учитывающий влияние обкладок и закраин конденсатора на величину объема:

[181]

Для секции с общим числом обкладок N, поправочный коэффициент:

[182]

где b – активная ширина обкладок

l – активная длина обкладок

- закраина в направлении длины обкладки

- закраина в направлении ширины обкладки

- толщина обкладки

Для намотанных спиральных конденсаторов поправочный коэффициент равен:

[183]

В случае металлизированного диэлектрика конденсатора, когда , принимаем и формулы упрощаются.

В реальных конденсаторах значительную долю объема корпуса занимает вспомогательный диэлектрик и другие конструкционные элементы, их влияние сильно возрастает с уменьшением . Реальные удельные характеристики конденсатора существенно отличаются от теоретических, так как на значение и h сильно влияет плотность намотки секций. При малой толщинеэта плотность ниже, так как механическая прочность его невелика. Возникающие воздушные зазоры оказываются соизмеримыми по толщине с диэлектриком, что приводит к значительному снижению и увеличению общей толщины диэлектрика. Значения и низковольтных конденсаторов сильно зависят от типа обкладок, так как при малой толщине диэлектрика (до 10-20мкм) фольговые обкладки занимают значительный объем.

При выборе конденсаторов для конкретных условий применения, помимо оценки допустимости данного режима эксплуатации необходимо учитывать и их масса - габаритные характеристики.

В одинаковых электрических режимах могут быть применены различные типы конденсаторов. Поэтому для правильного выбора типа конденсатора важным является сравнение различных конденсаторов по удельным характеристикам для конкретных условий эксплуатации.

Удобной характеристикой для сравнения является удельная реактивная мощность:

[184]

Максимальное значение удельной реактивной мощности располагается в различном диапазоне частот, причем с уменьшением угла потерь конденсатора максимум удельной реактивной мощности возрастает и сдвигается в сторону более высоких частот.

При работе конденсаторов в цепях фильтров при пульсирующем напряжении с пульсацией синусоидальной формы полезной характеристикой может служить удельная емкость:

[185]

При несинусоидальном напряжении стандартных форм, при использовании конденсаторов в качестве емкостных накопителей энергии передающих устройств удобной характеристикой для их сравнения является удельная энергия:

[186]