Что такое конденсаторы и их классификация?

Конденсатор — это элемент электронной аппаратуры, который состоит из двух или более проводящих обкладок, разделенных диэлектрическими прокладками. Конденсаторы предназначены для накопления электрических зарядов, создание реактивного емкостного сопротивления.

Классификация. Конденсаторы классифицируют по нескольким признакам, в частности: изменением емкости, способами управления ею, материалом диэлектрика, геометрической конфигурацией, рабочим напряжением, начальным отклонением емкости, температурной стабильностью, применением. Классификация по изменению емкости предусматривает разделение на конденсаторы постоянной емкости, конденсаторы переменной емкости, подстроечные. Два последних вида конденсаторов отличаются между собой преимущественно частотой смены емкости. Емкость подстроечных конденсаторов меняется редко (только при настройке аппаратуры), в то время как емкость конденсаторов переменной емкости — часто (постоянно при работе с электронной аппаратурой). Классификация по способам управления емкостью предусматривает разделение на конденсаторы с механическим управлением и конденсаторы с электрическим управлением. Последние, в свою очередь, делятся на две подгруппы: варикапы — конденсаторы, построены на возвратно-смещенных p-n-переходах и варикондах — конденсаторы, изготовленные на сегнетоэлектриках. В зависимости от материала диалектрики, которые используют для прокладки, различают вакуумные, воздушные, с твердым неорганическим диэлектриком (слюдяные, керамические, стеклоситаловые), с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, лакопленочные) конденсаторы. В отдельную группу выделяют электролитические конденсаторы, которые имеют тонкие, а иногда пористые окислительные диэлектрики и часто жидкую электролитическую обкладку, что обеспечивает контакт по всей поверхности пор. По геометрической конфигурацией конденсаторы разделяют на цилиндрические, трубчатые, дисковые, призматические. По рабочим напряжением различают низковольтные и высоковольтные конденсаторы. За начальными отклонениями емкости (допусками) конденсаторы разделяют на элементы общего назначения и прецизионные. Государственный стандарт предусматривает разделение конденсаторов допусками на классы точности (табл. 1.2).

Таблица 1.2 Классы точности конденсаторов

Классы точности конденсаторов

За температурной стабильностью государственные стандарты разделяют конденсаторы на группы и подгруппы (табл. 1.3).

Таблица 1.3 Характеристики групп и подгрупп температурной стабильности некоторых конденсаторов

Характеристики групп и подгрупп температурной стабильности некоторых конденсаторов

За применением конденсаторы разделяют на контурные блокировочные, накопительные, фильтровые, специальные.

Условные изображения и обозначения. Условные изображения конденсаторов на схемах приведены на рис. 1.Условные изображения конденсаторов на схемах: а - нерегулируемый; б - полярный; в - регулируемый; г - подстроечный; д - варикап; е - вариконд

Рис. 1. Условные изображения конденсаторов на схемах: а — нерегулируемый; б — полярный; в — регулируемый; г — подстроечный; д — варикап; е — вариконд

Условные обозначения дискретных конденсаторов содержат тип, вариант конструкции, группу за температурной стабильностью, номинальное напряжение, номинал емкости, допуск, группу за интервалом рабочей температуры. К примеру, КТ-1Е-П120-200-10+10% означает конденсатор керамический, трубчатый, вариант конструкции 1Е, группа за температурной стабильностью П 120, напряжение
200 В, емкость 10 пФ, допуск + 10%, группа за интервалом рабочих температур не указана.

Строение. Конструкция конденсаторов постоянной емкости отличается от конструкции конденсаторов переменной емкости. Кроме того, существуют различия во внешнем виде и форме как различных видов конденсаторов постоянной емкости, так и различных конденсаторов переменной емкости. Но общим для них является набор основных элементов конструкции, который включая диэлектрические прокладки, проводниковые обкладки, элементы соединения обкладок, внешние выводы и элементы их соединение с обкладками, элементы защиты, элементы крепления в аппаратуре. Конденсаторы переменной емкости с механичным управлением дополнительно имеют элементы перемещения ротора и элементы его фиксации.Внешний вид и строение керамических конденсаторов: а - дисковые: 1 - керамический диск; 2,3 - обкладки; 4, 5 - выводы; 6,7 - припой; б - трубчатые: 1 - керамическая трубка; 2 - наружная обкладка; 3 - внутренняя обкладка; 4 , 5 - виводи; 6 - эмалевое покрытие

Рис. 2. Внешний вид и строение керамических конденсаторов: а — дисковые: 1 — керамический диск; 2,3 — обкладки; 4, 5 — выводы; 6,7 — припой; б — трубчатые: 1 — керамическая трубка; 2 — наружная обкладка; 3 — внутренняя обкладка; 4 , 5 — виводи; 6 — эмалевое покрытие

Керамические конденсаторы постоянной емкости — это конструкции, в которых керамическая механическая основа одновременно является диэлектриком. На ней с обеих сторон нанесено металлические обкладки, к которым подведены выводы (рис. 2). Защита выполнена стеклоэмалью. Для работы в неблагоприятных климатических условиях разработаны конструкции герметизированных керамических конденсаторов (рис. 3).Герметизированный вариант керамического конденсатора: 1 - трубчатый керамический конденсатор; 2 - наружная керамическая трубка; 3, 4-металлические колпачки; 5, 6 - проволочные выводы

Рис. 3. Герметизированный вариант керамического конденсатора: 1 — трубчатый керамический конденсатор; 2 — наружная керамическая трубка; 3, 4-металлические колпачки; 5, 6 — проволочные выводы

Для нужд микроминиатюризации разработаны конструкции малогабаритных керамических конденсаторов большой удельной емкости. К ним относятся монолитные конденсаторы, конденсаторы типа церол и церафил, конденсаторы с барьерными и пограничными слоями (рис. 4).Строение малогабаритных конденсаторов с большой удельной емкостью: а - монолитный; б - церафил; в - церола; г - с барьерным слоем; д - с пограничным слоем: 1 - обкладка; 2 - диэлектрик; 3 - полупроводниковая керамика

Рис. 4. Строение малогабаритных конденсаторов с большой удельной емкостью: а — монолитный; б — церафил; в — церола; г — с барьерным слоем; д — с пограничным слоем: 1 — обкладка; 2 — диэлектрик; 3 — полупроводниковая керамика

Монолитные конденсаторы получают методом спекания многослойных структур, состоящих из шликерных пленок, покрытых проводниковой пастой. Конденсаторы с барьерным слоем — это металлизированные с обеих сторон сегнетоэлектрических дисков с Безымянный или Безымянный, которые в результате отжига керамической массы в восстановительной среде превращаются в полупроводники,
покрыты окислительным слоем. Модификацией конденсатора с барьерным слоем является конденсатор с пограничного слоя, диски для которого изготавливают по крупицам полупроводящий керамики, покрытой тонким диэлектрической слоем. В результате увеличивается сопротивление изоляции и уменьшаются потери энергии. Специфическую конструкцию имеют высоковольтные керамические конденсаторы, показаны на рис. 5.Строение высоковольтных керамических конденсаторов: а - дисковый; б - горшковый; в - бочковый; г - трубчатый: 1 - керамическая заготовка; 2 - выводы; 3 -метализация

Рис. 5. Строение высоковольтных керамических конденсаторов: а — дисковый; б — горшковый; в — бочковый; г — трубчатый: 1 — керамическая заготовка; 2 — выводы; 3 -метализация

В стеклоэмалевых конденсаторах в качестве диэлектрика используют стеклоэмаль, которая отличается повышенной теплостойкостью. Получают ее спекания при температуре 600 … 800 °С многослойной структуры стеклоэмаль-серебряная паста, нанесенной на поверхность стальной пластины. Проволочные внешние выводы присоединяют к торцам многослойной структуры и получают конструкцию, изображенную на рис. 6.Строение стеклоэмалевих конденсаторов: а - заготовка к резке: 1 - верхняя обкладка; 2 - край нижней обкладки; 3 - линия разреза; б - нарезанные заготовки; в - конденсатор с припаянными выводами

Рис. 6. Строение стеклоэмалевих конденсаторов: а — заготовка к резке: 1 — верхняя обкладка; 2 — край нижней обкладки; 3 — линия разреза; б — нарезанные заготовки; в — конденсатор с припаянными выводами

Строение электролитических конденсаторов, которые благодаря тонкой окислительной пленке вентильного металла имеют большую удельную емкость, зависит от их вида. Различают три основных вида электролитических конденсаторов: с жидким электролитом, с сухим электролитом и окислительно-полупроводниковые (твердые). Все они есть полярными. Анодом у них есть вентильный металл (тантал, ниобий или алюминий), диэлектриком — окись на поверхности анода, катодом — любой другой проводник. Форму электродов определяет вид электролитического конденсатора. В электролитических конденсаторах с жидким электролитом анод — массивный, пористый, а катод — жидкий, изготовленный из электролита с малым удельным сопротивлением (например, из раствора серной кислоты и хлористого лития), который содержится в стальном посеребренном изнутри корпусе (рис. 7, а). В электролитических конденсаторах с сухим электролитом, которые по конструкции напоминают бумажные конденсаторы (рис. 7, б), оксидированный анод и неоксидированный катод изготовлены из тонкой (0,1 мм) фольги. Между ними расположена бумажная или тканевая прокладка, пропитанная вязким электролитом (раствором борной кислоты и аммиака в этиленгликоля), и поэтому является частью катода. Если анодную фольгу обработать травниками, то ее поверхность станет шероховатой, а емкость возрастет в 3-4 раза. В оксидно-полупроводниковых электролитических конденсаторах вместо электролита используют твердый электронный полупроводник Безымянный, который наносят на поверхность анода (рис. 8). Как анод применяют танталовый провод или объемный пористый тантал. Катод (контактный слой) имеет вид пленки, нанесенной на поверхность полупроводника.Безымянный

Рис. 7. Строение электролитических конденсаторов с жидким (а) и сухим (б) электролитом: 1 — анод, 2 — электролит, З — катод

Танталовые окислительно-полупроводниковые герметизированные конденсаторы с проводным (а) с объемным пористым (б) анодом: 1 - анод; 2 - корпус; 3 - вывод анода; 4 - стеклянный проходной изолятор; 5 - вывод катода; 6 - припой

Рис. 8. Танталовые окислительно-полупроводниковые герметизированные конденсаторы с проводным (а) с объемным пористым (б) анодом: 1 — анод; 2 — корпус;
3 — вывод анода; 4 — стеклянный проходной изолятор; 5 — вывод катода; 6 — припой

Строение конденсаторов переменной емкости зависит от их вида, поскольку каждому из них присущи определенные способы изменения емкости. Законы изменения емкости
определяются зависимостью емкости С от параметров основных элементов конструкции конденсатора:Безымянный

где Безымянный и Безымянный — относительная диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрика, см; S — площадь перекрытия обкладок, см2. Изменять емкость конденсатора можно только изменением трех параметров:
площади перекрытия обкладок, диэлектрической проницаемости диэлектрика и его толщины. Законы изменения емкости будут различными (рис. 9).Зависимость емкости конденсаторов от площади перекрытия обкладок (а), толщины (б) и диэлектрической проницаемости диэлектрика (в)

Рис. 9. Зависимость емкости конденсаторов от площади перекрытия обкладок (а), толщины (б) и диэлектрической проницаемости диэлектрика (в)

Строение блока конденсаторов переменной емкости с механическим управлением приведена на рис. 10.

Блок конденсаторов переменной емкости с механическим управлением емкостью: 1 - ротор; 2 - статор; 3 - ось; 4 - токосъемник; 5 - передний подшипник; 6 - задний подшипник; 7 - корпус; 8 - вывод статора; 9-ручка поворота ротора

Рис. 10. Блок конденсаторов переменной емкости с механическим управлением емкостью: 1 — ротор; 2 — статор; 3 — ось; 4 — токосъемник; 5 — передний подшипник; 6 — задний подшипник; 7 — корпус; 8 — вывод статора; 9-ручка поворота ротора

Из рис. 10 видно, что основными элементами конструкции конденсаторов переменной емкости с механическим управлением является статор с набором обкладок, ротор с набором обкладок, ось ротора, ручка поворота ротора, токосъемник и корпус. Конденсаторы с воздушным промежутком между обкладками ротора и статора имеют сравнительно большие габариты. Уменьшение габаритов за счет уменьшения промежутка (расстояния между обкладками) снижает технологичность конденсаторов и уменьшает их устойчивость к ударам, вибрации и температурных изменений. Поэтому в малогабаритных конденсаторах переменной емкости с механическим управлением рядом с воздушным диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого является Безымянный≈ 1, используют дополнительно твердые диэлектрики, диэлектрическая проницаемость которыхБезымянный> 1, которые в виде пленок крепятся к обкладкам ротора или наносятся на их поверхность. Аналогичное строение имеют подстроечные конденсаторы с вращающимся ротором (рис. 11).Подстроечные конденсатор с вращающимся ротором

Рис. 11. Подстроечные конденсатор с вращающимся ротором

Кроме подстроечных конденсаторов с вращающимся ротором, существуют еще подстроечные, трубчатые, коаксиальные и шайбовые конденсаторы (рис. 12).

Строение трубчатых (а), коаксиальных (б) и шайбовых (в) подстроечных конденсаторов: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - металлизация

Рис. 12. Строение трубчатых (а), коаксиальных (б) и шайбовых (в) подстроечных конденсаторов: 1 — статор; 2 — ротор; 3 — металлизация

 Цилиндрические подстроечные конденсаторы небольшой емкости (до 10 … 20 пФ) состоят из трубчатого статора и сплошного цилиндрического ротора, осевое перемещение которого обеспечивает винт с большим шагом нарезки. Подстроечные конденсаторы большой емкости изготавливают с твердым диэлектриком или с ротором и статором в виде нескольких коаксиальных цилиндров. Одной из разновидностей конденсаторов переменной емкости с электрическим управлением есть варикапы — полупроводниковые диоды с большой площадью р-n-перехода. Их барьерная емкостьБезымянный зависит от напряжения обратной смещение Безымянный.Безымянный

где К — постоянная, которая зависит от сопротивления полупроводника; Безымянный — контактное напряжение; n = 1/2 .. .1/3. Поэтому, изменяя напряжение обратного смещение, можно изменить барьерную емкость варикапа. На рис. 13 изображено внешний вид и строение варикапа. Из рисунка 13 видно, что основными элементами конструкции является полупроводниковый кристалл, металлический кристалодержатель, стеклянный баллон, проволочные внешние выводы и элемент соединения внешнего вывода с кристаллом. Кроме стеклянных, применяют металлические корпуса.Внешний вид и строение варикапа: 1 - кристалл; 2 - кристалодержатель; 3 - баллон; 4 - выводы; 5 - элемент с объединения внешнего вывода с кристаллом

Рис. 13. Внешний вид и строение варикапа: 1 — кристалл; 2 — кристалодержатель; 3 — баллон; 4 — выводы; 5 — элемент с объединения внешнего вывода с кристаллом

Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от напряженности электрического поля

Рис. 14. Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от напряженности электрического поля

Второй разновидностью конденсаторов переменной емкости с электрическим управлением является вариконд — конденсаторы, диэлектриком которых сегнетоэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых зависит от напряженности электрического поля по закону, близкому к параболическому (рис. 14). Конструкция вариконд аналогична конструкции керамических дисковых конденсаторов.

Работа. Основное назначение конденсатора — накапливать и отдавать электрический заряд. Зарядки и разрядки — это основной режим работы конденсатора. Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из его обкладок. Для того, чтобы предоставить конденсатору заряд, его необходимо на короткое время включить в круг постоянного тока. В таком случае на обкладке конденсатора, соединенном с положительным полюсом источника тока, которую покидают электроны, накапливается положительный заряд, а на второй, куда поступили электроны — отрицательный. Накопление заряда q прямо пропорционально произведению емкости конденсатора С на напряжение U, то естьБезымянный

Если источник постоянного напряжения убрать, то заряды на обкладках конденсатора будут длительное время удерживать друг друга. В цепи переменного тока конденсатор все время перезаряжается,
создавая сопротивление переменному току:Безымянный

где Безымянный — частота изменения тока. Конденсатор как элемент колебательного контура определяет его резонансную частоту:Безымянный

где L, С — индуктивность и емкость колебательного контура. Изменение значения накопленного заряда, реактивного емкостного сопротивления, резонансной частоты и других зависимых от емкости параметров требует изменения значения самой емкости, для чего могут быть применены способы, показанные на рис. 15. Чтобы получить необходимый закон изменения емкости в конденсаторах переменной емкости с механическим управлением, необходимо обеспечить соответствующую форму роторных пластин. В подстроечных цилиндрических конденсаторах для этой цели можно использовать полуцилиндрические поверхности или изменить одну из них на коническую.Способы изменения емкости конденсаторов: а - конфигурацией площади покрытия обкладок; б - конфигурацией расстояния между обкладками; в - введением и выведение диэлектрика между обкладки; г - конфигурацией диэлектрической проницаемости диэлектрика

Рис. 15. Способы изменения емкости конденсаторов: а — конфигурацией площади покрытия обкладок; б — конфигурацией расстояния между обкладками; в — введением и выведение диэлектрика между
обкладки; г — конфигурацией диэлектрической проницаемости диэлектрика

В варикапах барьерную емкость изменяют, варьируя напряжение обратного смещение p-n-перехода, которая приводит к изменению толщины запорного слоя является диэлектриком. Управление емкостью варикапа обычно осуществляется с помощью специальных датчиков (рис. 16).

Схемы управления емкостью варикапа: а - с последовательным питанием; б - параллельное питания с сопротивлением; в - параллельное питания с дросселем;

Рис. 16. Схемы управления емкостью варикапа: а — с последовательным питанием; б — параллельное питания с сопротивлением; в — параллельное питания с дросселем

Свойства. Для конденсаторов постоянной емкости схема замещения содержит емкость конденсатора С, собственную индуктивность Безымянный; сопротивление потерь в обкладках и выводах Безымянный, которые включены последовательно, и сопротивление изоляции Безымянный, который определяется поверхностным и объемным опорами диэлектрика и включен параллельно конденсатора (рис. 17).

Безымянный

Рис. 17. Схемы замещения конденсатора на средних частотах (а), низких частотах и постоянном токе (б) и на высоких частотах (в)

Наличие индуктивности увеличивает эквивалентную емкость, что приводит к сильной зависимости ее от частоты и вызывает появление резонансных явлений. Поскольку индуктивное резистивное сопротивление частично компенсирует емкостное, то полное сопротивление конденсатора уменьшается, что эквивалентно увеличению емкости. Сравнив полные сопротивления реального Безымянный и эквивалентного Безымянный конденсаторов, можно получить значение эквивалентной емкости БезымянныйБезымянный

Схема замещения электролитического конденсатора содержит индуктивность и сопротивление анода Безымянный и Безымянный индуктивность и сопротивление катода Безымянный и Безымянный; емкость окисленного слоя С, сопротивление потерь в окисленном слое Безымянный; сопротивление электролита Безымянный и емкость анод-катод через прокладку, что включена параллельно сопротивлений Безымянный и Безымянный (рис. 18).Схема замещения электролитического конденсатора

Рис. 18. Схема замещения электролитического конденсатора

Конденсаторы переменной емкости имеют свою схему замещения (рис. 19), в которую входит переменная часть емкости Безымянный, последовательно с ней включены эквивалентное сопротивление потерь Безымянный и индуктивность конденсатора Безымянный, а также параллельно подключенную к этим элементам минимальную емкость Безымянный; последовательно включены в смешанное соединения предыдущих элементов переходное сопротивление токосъемника Безымянный и параллельно включен в схему соединений всех отмеченных выше элементов сопротивление изоляции Безымянный. Емкость конденсатора С в любой момент
времени равна сумме емкостей Безымянный и Безымянный то естьБезымянныйСхема замещения конденсатора переменной емкости

Рис. 19. Схема замещения конденсатора переменной емкости

Схема замещения варикапа аналогична схеме замещения возвратно смещенного p-n-перехода, то есть в нее входят только три элемента: барьерная емкость Безымянный, параллельно включен в нее сопротивление возвратно-смещенного p-n-перехода R, и последовательно включен в параллельного соединения сопротивление тела базы Безымянный (Рис. 20, а). В диапазоне низких частот сопротивлением тела базы можно пренебречь, поскольку Безымянный. В диапазоне высоких частот можно пренебречь сопротивлением R, поскольку реактивное сопротивление Безымянный. Полная схема замещения варикапа дополнительно предусматривает паразитную емкость относительно корпуса Безымянный и паразитной индуктивности Безымянный (рис. 20, б).Схемы замещения варикапа: а - упрощенная; б - полная

Рис. 20. Схемы замещения варикапа: а — упрощенная; б — полная

Эквивалентную емкость варикапа определяют так:Безымянный

Для конденсаторов важнейшими являются вольт-фарадные, температурные и частотные характеристики, которые показывают зависимость от напряжения, температуры и частоты двух важнейших параметров — емкости и потерь. Для конденсаторов переменной емкости с механическим управлением важны функциональные характеристики. Для конденсаторов постоянной емкости, в частности электролитической и переменной емкости с механическим управлением, емкость от напряжения не зависит или незначительно уменьшается с увеличением напряжения, как в конденсаторах с барьерным слоем (Рис. 21, а). Последнее объясняется тем, что накопления на обкладках зарядов происходит непропорционально напряжению, так как ранее накопленные заряды тормозят поступления новых. Емкость варикапа и вариконд от напряжения существенно зависит (рис. 21, б, в) и эта зависимость положена в основу работы этих элементов конденсаторами переменной емкости.Вольт-фарадные характеристики конденсаторов: а - постоянной емкости и переменной емкости с механическим управлением (1) и конденсаторов постоянной емкости с барьерным слоем (2) б - варикапа (3, 4 - плавный и резкий р-n-переход) в - вариконд

Рис. 21. Вольт-фарадные характеристики конденсаторов: а — постоянной емкости и переменной емкости с механическим управлением (1) и конденсаторов постоянной емкости с барьерным слоем (2) б — варикапа (3, 4 — плавный и резкий р-n-переход) в — вариконд

Потери энергии в конденсаторах Р с повышением напряжения растут, поскольку они прямо пропорциональны Безымянный.Безымянный

где Безымянный — тангенс угла диэлектрических потерь конденсатора, который тоже растет с повышением напряжения (рис. 22).Зависимость емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов с барьерним слоем от напряжения

Рис. 22. Зависимость емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов с барьерним слоем от напряжения

Температурные характеристики емкости конденсаторов постоянной емкости, в том числе и электролитических, а также переменной емкости с механическим управлением определяются преимущественно температурными зависимостями относительной диэлектрической проницаемости диэлектрических прокладок Безымянный, которая в зависимости от вида поляризации может с повышением температуры расти или падать. Соответственно меняется сама емкость (рис. 23).

Температурные характеристики емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов постоянной емкости: а - с барьерным слоем; б - сухих электролитических: 1 - однослойные; 2 - двухслойные

Рис. 23. Температурные характеристики емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов постоянной емкости: а — с барьерным слоем; б — сухих электролитических: 1 — однослойные; 2 — двухслойные

Температурную зависимость емкости конденсаторов переменной емкости с механическим управлением определяют температурные зависимости диэлектрической постоянной воздуха и расстояния между пластинами. С повышением температуры емкость таких конденсаторов преимущественно уменьшается. При наличии между пластинами твердого диэлектрика характер температурного изменения емкости может быть противоположным. Температурные зависимости емкости варикапа и вариконд приведены на рис. 24. В варикапа рост емкости с повышением температуры объясняется увеличением количества носителей тока и соответствующим уменьшением толщины запорного слоя возвратно-смещенного p-n-перехода. В вариконд зависимость Безымянный определяется зависимостью Безымянный.Температурные зависимости емкости варикапа (а) и вариконд (б) U = 0,5-2 В

Рис. 24. Температурные зависимости емкости варикапа (а) и вариконд (б) U = 0,5-2 В

Потери энергии конденсаторов с повышением температуры в диапазоне положительных температур преимущественно растут, что показывает рис. 25, а (1, 2). Аналогичную температурную зависимость потерь имеют варикапы. В то же время характер температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь высокомолекулярных диэлектриков и сегнетоэлектриков (рис. 25, а (3), б) свидетельствует о том, что для конденсаторов с этими диэлектриками характер температурной зависимости потерь зависит от величины и знака температуры.Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь диэлектриков (а) и сегнетоэлектриков (б) 1 - полярный; 2 - неполярный; 3 - высокомолекулярный

Рис. 25. Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь диэлектриков (а) и сегнетоэлектриков (б) 1 — полярный; 2 — неполярный; 3 — высокомолекулярный

Частотные характеристики емкости конденсаторов в значительной степени обусловлены их конструкции, с которой связаны паразитные емкости и индуктивности и частично зависимости диэлектрической проницаемости от частоты, которая определяется механизмом поляризации. Указанные факторы приводят к тому, что с повышением частоты емкость конденсаторов возрастает (рис. 26), но на очень
высоких частотах она может с повышением частоты снижаться за счет уменьшение Безымянный. Как известно, потери энергии в конденсаторах имеют две составляющие потери в диэлектрике и потери в металлических частях (обкладках, выводах). Результивные потери равны сумме составляющих. Если их оценивать тангенсом угла потерь, то можно записать, чтоБезымянный

где Безымянный— потери в диэлектрике; Безымянный — потери в металлических элементах конструкции; Безымянный — суммарные потери энергии (потери в конденсаторе).Частотная зависимость емкости конденсаторов

Рис. 26. Частотная зависимость емкости конденсаторов

Частотные зависимости потерь в конденсаторе

Рис. 27. Частотные зависимости потерь в конденсаторе

Частотная зависимость потерь в конденсаторе выражается частотными зависимостями составляющих потерь. С повышением частоты растут потери в металлических элементах конструкции Безымянный и постепенно уменьшаются, изменяясь по сложному закону, потери в диэлектрике Безымянный (рис. 27). Суммарные потери Безымянный с повышением частоты растут, проходя максимум и минимум. Максимум
величины в левой части обусловлен дипольными потерями, а ее увеличение в правой части — потерями от ионной проводимости. Минимуму потерь соответствует частота, которую можно определить по выражению:Безымянный

где Безымянный — сопротивление, эквивалентное потерям в металлических элементах конденсатора; R — сопротивление, эквивалентное потерям в диэлектрике.
Минимум в частотной зависимости потерь имеют также варикапы. Он приходится на частоту Безымянный (рис. 28) и свидетельствует об ограниченных частотных возможностях этих элементов.Частотная зависимость потерь и добротности варикапа

Рис. 28. Частотная зависимость потерь и добротности варикапа

Частотная зависимость потерь в варикондах аналогичная частотной зависимости потерь в конденсаторах с другими твердыми диэлектриками, но количественно потери энергии в них больше, а максимальные рабочие частоты меньше, что обусловлено доменной структурой сегнетоэлектриков. Важными для конденсаторов переменной емкости с механическим управлением является функциональные характеристики, которые выражают зависимости емкости от угла поворота ротора. В зависимости от величины угла поворота ротора различают конденсаторы с нормальным угловым диапазоном, при котором полный угол поворота Безымянный, с расширенным угловым диапазоном, при котором Безымянный и с уменьшенным угловым диапазоном, при котором Безымянный.
По закону изменения емкости в зависимости от угла поворота ротора и соответственно частоты колебательного контура, конденсаторы переменной емкости с механическим управлением разделяют на прямоемкостные (линейные), прямоволнистые (квадратичные), прямочастотные и логарифмические (середнелинейные) (рис. 29). Свойства конденсаторов постоянной емкости характеризуют такими
основными параметрами: номинальной емкостью, допуском на емкость, электрической прочностью, реактивной мощностью, сопротивлением изоляции, потерями энергии или добротностью, собственной индуктивностью, коэффициентом старения емкости, температурным коэффициентом емкости, интенсивностью отказов. Конденсаторы относятся к стандартизированным элементам электронной аппаратуры,
в которых номинальные значения емкости и допуски на номиналы стандартизуются. Числовые значения номиналов определяются рядами предпочтительных чисел (коэффициентами, на которые необходимо умножать числа, кратные 10, чтобы получить ряд номинальных значений емкостей). Современные конструкции конденсаторов обеспечивают номиналы емкостей от единиц до сотен тысяч пФ и допуски в пределах от ± 0,1 до -20 … + 50%. Для конденсаторов переменной емкости и подстроечных номинальные значения емкости не устанавливают.Функциональные характеристики конденсаторов переменной емкости с механическим управлением: 1 - прямоемкосные, 2 - прямоволновые, 3 - прямочастотные, 4 - логарифмические

Рис. 29. Функциональные характеристики конденсаторов переменной емкости с механическим управлением: 1 — прямоемкосные, 2 — прямоволновые, 3 — прямочастотные, 4 — логарифмические

Электрическая прочность конденсаторов характеризуется номинальным, испытательным и пробивным напряжениями. Номинальное напряжение — это максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать в заданном диапазоне температур в течение гарантированного срока службы. Испытательное напряжение — это максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать без пробития в течение времени от единиц секунд до единиц минут. Пробивное напряжение — это максимальное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика. Номинальное напряжение большинства дискретных конденсаторов не превышает 1500 В. Реактивная мощность Безымянный характеризует нагрузочную способность конденсатора при работе на высокой частоте Безымянный и высоком напряжении Безымянный. Реактивную мощность определяют так:Безымянный

где Безымянный — угол сдвига фаз между напряжением и током. В маломощной электронной аппаратуре конденсаторы почти всегда работают при небольших переменных напряжениях, поэтому для них реактивная мощность не характерна параметром.

Сопротивление изоляции Безымянный — это сопротивление между обкладками конденсатора. Его определяет качество диэлектрической прокладки. При малом сопротивлении изоляции возникают высокие
токи стока. Наибольшее сопротивление изоляции (десятки тысяч МОм) имеют пленочные конденсаторы, наименьший — электролитические. Их характеризует не сопротивление изоляции, а ток стока. Качество изоляции часто характеризуют постоянной времени Безымянный, которая определяется произведением сопротивления изоляции в МОм на емкость в мкФ, то есть:Безымянный
Постоянная времени определяет в секундах время саморазряда конденсатора, то есть уменьшении напряжения на нем в е раз. Постоянная времени современных конденсаторов составляет тысячи секунд.
Сопротивление изоляции существенно зависит от температуры и влажности. С увеличением температуры и влажности оно уменьшается. Потери энергии в маломощных конденсаторах преимущественно имеют две составляющие: поляризационную и потери, обусловленные проводимостью диэлектрика. Потери в обкладках и выводах таких конденсаторов достаточно малы и ими иногда пренебрегают.
Потери снижают добротность колебательных контуров, ухудшают избирательность схем, влияющих на стабильность параметров. Потери энергии в конденсаторе характеризует тангенсом угла потерь Безымянный,
где Безымянный — это угол, который дополняет угол сдвига фаз между напряжением и током в конденсаторе до 90 °. Величину, обратную к потерям, называют добротностью конденсатора Безымянный:Безымянный
Современные дискретные конденсаторы (кроме электролитических) характеризуются очень малыми потерями Безымянный. Собственная индуктивность Безымянный — это паразитный параметр конденсатора. Она состоит из индуктивности рабочего элемента конденсатора и индуктивности внутренних и внешних соединительных проводников. Для разных типов конденсаторов ее значение лежит в пределах от единиц до ста наногенри. Наличие собственной индуктивности Безымянный увеличивает эквивалентную емкость конденсатора, что приводит к сильной ее зависимости от частоты и влечет возникновению резонансных явлений в конденсаторе:Безымянный
где Безымянный — собственная резонансная частота конденсатора.

Нормальная работа конденсаторов возможна только на частотах, в 2-3 раза меньших резонансной, то естьБезымянный

Максимальные рабочие частоты современных дискретных конденсаторов лежат в пределах от десятков до сотен МГц. Температурный коэффициент емкости Безымянный характеризует обратное температурное
изменение каждой единицы емкости при изменении температуры на один градус, то естьБезымянный

где Безымянный и Безымянный — емкости при температуре Безымянный и Безымянный.
Коэффициент старения емкости Безымянный характеризует необратимые изменения емкости:Безымянный

где Безымянный и Безымянный -емкости конденсатора в момент времени Безымянный и Безымянный.

Значения Безымянный стандартных низковольтных конденсаторов общего назначения лежит в пределах от Безымянный для керамических и к Безымянный для сегнетокерамических. Значение Безымянный с конденсаторов общего назначения изменяются от долей процента до нескольких процентов за 1000 ч работы Безымянный. Надежность конденсаторов определяет среднее количество внезапных отказов Безымянный за 1 час работы в нормальных условиях. В конденсаторах, как и в резисторах внезапные отказы преобладают постепенные и именно ими определяется надежность, поэтому ее оценка за Безымянный-характеристиками является правомерным. Основным видом внезапных отказов является пробой диэлектрика. Интенсивность отказов стандартных низковольтных конденсаторов общего назначения лежит в пределах 10-5 (электролитические) до 10-7 г (керамические). Конденсаторы переменной емкости с механическим управлением емкостью характеризуются
следующими параметрами: минимальной емкостью Безымянный; максимальной емкостью Безымянный; переменной емкостью Безымянный; постоянной времени управления Безымянный, которая определяется временем перехода подвижной части из одного крайнего положения в другое; точностью установки емкости Безымянный, которая лежит в пределах (0,05 … 0,1)%; температурным коэффициентом Безымянный который для воздушных диэлектриков является положительным и не превышает Безымянный, коэффициентом старения, который для конденсаторов переменной емкости составляет (0,1 … 0,5%), а иногда и 1…2% за 1000 ч работы; добротностью, которая лежит в пределах от 500 до 5000 единиц (добротность конденсаторов с изменением емкости меняется); сопротивлением контактов токосъемника, который составляет 0,01…0,02 Ом; допустимой изменением переходного сопротивления Безымянный; уровнем электрического шума контакта Безымянный.

Применение. Микроминиатюризация электронной аппаратуры изменила роль конденсаторов. Многие из них могут быть изготовлены в интегрированном виде. В тонкопленочных гибридных ИМС максимальные емкости не превышают 10000 пФ, в толстопленочных гибридных — 500 пФ, в полупроводниковых — 500 пФ. Для решающих фильтров, проходных конденсаторов цифровых и
аналоговых схем необходимые емкости до 100000 пФ. Кроме того, электронная аппаратура требует блокировочных, накопительных, подстроечных конденсаторов и конденсаторов переменной емкости. Поэтому дискретные конденсаторы остаются важным элементом электронной техники, их бескорпусные миниатюрные варианты (например, монолитные) широко используют как навесные элементы
гибридных ИМС.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*