2.3. Ионисторы

Изделия этого типа занимают особое место среди конденсаторов, поскольку их емкость реализуется без участия диэлектрика. В основе принципа действия ионисторов - формирование на границе двух фаз двойного электрического слоя (ДЭС) - тонкого (молекулярной толщины) слоя, сформированного двумя пространственно разделенными слоями электрических зарядов разного знака. По этой причине изделия данного типа охватывают диапазон емкостей до 100 Ф.

Существующие типы ионисторов часто называют конденсаторами с двойным электрическим слоем.

В качестве примера рассмотрим возникновение ДЭС на границе раздела металл - электролит. Выход из металла при определенных условиях некоторой части электронов приводит к его положительному заряжению и, как следствие, притяжению к поверхности металла подвижных отрицательно заряженных ионов из электролита. При высокой концентрации ионов в растворе электролита (~10²² см^-3 ) поле заряда металла экранируется в электролите на расстояниях порядка единиц ангстрем. Возникающее между разноименно заряженными слоями электрическое поле препятствует выходу электронов из металла и при наступлении динамического равновесия на границе металл - электролит возникает скачок потенциала, составляющий доли Вольта.

В зависимости от рабочего материала электролита существующие ионисторы можно классифицировать следующим образом:

- ионисторы на основе водных растворов кислот и щелочей (так называемые суперконденсаторы);

- ионисторы на основе апротонных электролитов;

- ионисторы на основе твердого электролита.

В ионисторах первого типа (например, на основе 38 %-го водного раствора H₂SO₄ ) емкость создается двумя ДЭС на границах раздела электролита с симметричными электродами с электронной проводимостью. Последние обладают высокоразвитой поверхностью, что дает соответствующий выигрыш в емкости.

Ионисторы этого типа представляют собой по существу два последовательно включенных конденсатора с ДЭС и различным ионным составом обкладок, расположенных в электролите, и являются неполярными.

К недостаткам ионисторов данного типа следует отнести ограничение рабочего напряжения значением 1 В (напряжение разложения воды ~1,2 В) и жесткие требования к кислотостойкости конструкционных и электродных материалов.

В ионисторах второго типа используются апротонные электролиты, которые позволяют добиться повышения рабочего напряжения до 2 - 2,5 В. Это обусловлено более высоким напряжением их разложения .

Однако, ионисторы этого типа обладают более высоким последовательным сопротивлением, что понижает их быстродействие при использовании в качестве энергонакопительных импульсных конденсаторов в режиме зарядки-разрядки.

В ионисторах третьего типа рабочим электролитом являются твердые электролиты – ионные суперпроводники – вещества, обладающие в твердом состоянии высокой ионной проводимостью, сравнимой с проводимостью жидких электролитов.

На рис.2.12 представлена схема ионистора на основе ионного суперпроводника RbAg₄J₅, обладающего ионной проводимостью ~0,25 Ом^-1см^-1 при Т=300 К, обусловленной переносом ионов Ag⁺. Принцип действия такого ионистора в упрощенном виде представляется следующим образом. При приложении к ионистору напряжения полярности, соответствующей отрицательному потенциалу на серебряном электроде, ионы Ag⁺ из твердого электролита разряжаются на катоде (Ag⁺ + e Ag) и оседают на нем. В результате ухода положительно заряженных ионов Ag⁺ обнажается отрицательно заряженный жесткий остов твердого электролита, состоящий из ионов J^-. На границе раздела твердого электролита с графитовым анодом, являющимся блокирующим электродом (электродная реакция на нем полностью заторможена) образуется ДЭС и, как следствие, формируется высокая емкость. Последняя увеличивается также за счет развития поверхности графитового электрода, изготавливаемого из порошка.

Разрядка ионистора сопровождается обратным процессом - растворением серебра в электролите (AgAg⁺ + e) и, соответственно, уменьшением заряда на обкладках ДЭС.

Ионисторы данного типа обладают рядом полезных качеств: высокими величинами номинальной емкости и накапливаемого заряда, малыми токами утечки. У конденсаторов на основе пленочных неполярных диэлектриков (полистирол, политетрафторэтилен, полипропилен), благодаря малой величине угла потерь, существенно более широкий диапазон рабочих частот, так что они могут использоваться в цепях высокой частоты.

Рис.2.12. Схема полярного ионистора на основе ионного суперпроводника RbAg₄J₅ :

1 - поляризуемый угольный анод, 2 - неполяризуемый серебряный катод, 3 - твердый электролит

Сочетание этих свойств открывает возможность использования ионисторов как энергонакопительных конденсаторов - резервных источников питания. Однако, твердотельные ионисторы остаются низковольтными приборами, что обусловлено низким напряжением разложения твердого электролита (при напряжении ~0,67 В происходит выделение на угольном электроде свободного иода). С целью повышения рабочего напряжения создаются батареи последовательно соединенных ионисторов, что приводит, разумеется, к потере в суммарной емкости, по сравнению с единичным элементом.

Дальнейший прогресс в области твердотельных ионисторов связан с успехами в создании новых твердых электролитов, обладающих высоким потенциалом разложения и не содержащих дорогих и дефицитных металлов.

В заключение отметим, что развивающейся низковольтной радиоэлектронике необходимы как сверхвысокоемкие ионисторы (источники тока порядка 10¹ - 10³ А), так и сравнительно низкоемкие ионисторы, способные заменить при низких напряжениях оксидные конденсаторы, где последние обнаруживают нестабильность параметров. Развитие этого направления конденсаторостроения требует создания новых материалов и технологий.

2.4. КОНДЕНСАТОРЫ ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТИ

Конденсаторы переменной емкости (КПЕ) подразделяются на конденсаторы с механическим управлением и электрическим управлением (вариконды, варикапы).

Конденсаторы с механическим управлением состоят из двух систем параллельных пластин, одна из которых (ротор) может плавно перемещаться к другой (статор). При этом пластины ротора входят в зазоры между пластинами статора, что изменяет эффективную площадь, а, следовательно, емкость конденсатора.

Наибольшее распространение получили КПЕ с плоскопараллельными пластинами, вращательным перемещением ротора и воздушным диэлектриком. Они отличаются большой точностью установки емкости, малыми потерями и высокой стабильностью.

КПЕ с твердым диэлектриком имеют меньшие размеры, но обладают меньшей точностью установки емкости и худшей стабильностью. Они применяются только в малогабаритных транзисторных приемниках.

Основное применение КПЕ находят в качестве элемента настройки колебательных контуров. Поэтому для них важен закон изменения емкости при настройке.

Широкое применение имеют блоки КПЕ, которые состоят из нескольких (двух-трех) конденсаторных секций, размещенных на одной оси.

Конденсаторы переменной емкости с электрическим управлением (вариконды) – особая группа керамических конденсаторов, диэлектриком которых служит сегнетокерамика, отличающаяся резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от приложенного напряжения, так что при изменении напряжения на несколько вольт, емкость может изменяться в 3-5 раз.

Вариконды – нелинейные элементы электрических цепей, на их основе могут быть созданы диэлектрические усилители, умножители частоты, генераторы сигнала. Они охватывают диапазон емкостей от 10 пФ до 1 мкФ и изменение емкости в 2-20 раз.

К КПЕ примыкают подстроечные конденсаторы.

К подстроечным конденсаторам предъявляются требования, аналогичные требованиям к КПЕ, но для них менее важны требования по точности и закону изменения емкости, а более существенны плавность установки емкости и надежность ее фиксации.

По конструктивным признакам подстроечные конденсаторы делятся на:

• конденсаторы с вращающимся ротором;

• с поступательным перемещением ротора;

• плоские

• дисковые.

По применяемому диэлектрику:

• воздушные;

• с твердым диэлектриком, как правило, керамическим.

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы влияют на емкость конденсатора?

2. Какие факторы влияют на напряжение пробоя конденсаторного диэлектрика?

3. Какие требования следует предъявлять к диэлектрическим материалам, применяемым в высокочастных конденсаторах? Какие из перечисленных материалов могут использоваться в высокочастных конденсаторах: кварцевое стекло, полтетрафторэтилен, поливиниленденфторид, слюда, титанат бария?

4. Исходя из основного назначения конденсатора – накапливать электрический заряд – проанализировать физический смысл зависимости емкости от конструктивных параметров – площади обкладок, толщины диэлектрика и диэлектрической проницаемости материала.

5. Привести параллельную и последовательную эквивалентные схемы замещения конденсатора и построить соответствующие им векторные диаграммы, показывающие сдвиг по фазе между электрическим напряжением и током при подаче на конденсатор, обладающий потерями, переменного напряжения.

6. Почему для создания керамических диэлектриков конденсаторов 1 и 2 типов недостаточно индивидуальных соединений?

7. Схематично изобразить температурную зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического материала и показать возможности ее температурной стабилизации.

8. Изобразить (качественно) температурную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь сегнетокерамического конденсатора.

9. Каковы пути достижения рекордно высоких значений удельных емкости и заряда оксидных конденсаторов?

10. Чем обусловлен выбор базовых металлов для изготовления оксидных конденсаторов?

11. Определить к каким изменениям свойств оксидных конденсаторов могут привести а) увеличение толщины оксидного диэлектрика; б)повышение удельного сопротивления оксидного диэлектрика; в) уменьшение удельного сопротивления катодного материала (проводящего вещества анода).

12. Указать пути улучшения эксплуатационных свойств оксидных конденсаторов.

13. Что понимают под полярными и неполярными диэлектриками? Какие из них используются на высоких частотах?

14. Какими преимуществами, по сравнению с бумагой, обладают пленочные материалы?

15. Каковы пути создания высоковольтных конденсаторов с органическим диэлектриком?

16. Чем объясняется сверхвысокая емкость ионисторов?

17. Какие процессы в электролите (твердом, жидком) приводят к образованию двойного электрического слоя?

18. Какова область применения ионисторов?