Razdel_2_Konspekta_lektsiy_po_EiEKUiS

Тема 2.2 КОНДЕНСАТОРЫ

Классификация и конструкции

Принцип действия конденсатора основан на способности накапливать на обкладках электрический заряд при приложении к ним разности потенциалов.

По назначению конденсаторы делят на контурные, блокировочные, разделительные, фильтровые, термокомпенсирующие и подстроечные, а по характеру изменения емкости – на постоянные, переменные и полупеременные.

По материалу диэлектрика различают три вида конденсаторов : с газообразным, жидким и твѐрдым диэлектриком. К первому относят переменные и полупеременные воздушные конденсаторы и газонаполненные постоянные, а ко второму – маслонаполненные и с синтетической жидкостью, которые ограниченно применяют в радиоаппаратуре. Широкое распространение и наибольшее количество типов имеют конденсаторы третьего вида. В зависимости от материала диэлектрика их подразделяют на группы, присваивая сокращенные обозначения : керамические на номинальное рабочее

Напряжение до 16000 В (К10) и выше 1600 В (К15); стеклянные (К21), стеклокерамические (К22), стеклоэмалевые (К23); слюдяные (К31); бумажные с фольговыми обкладками на напряжение до 2 кВ (К40) и выше 2 кВ (К41), а также бумажные с металлизированными обкладками (К42); электролитические фольговые алюминиевые (К50), танталовые или ниобиевые (К51) и танталовые объѐмнопористые (К52); оксиднополупроводниковые (К53) и оксиднометаллические (К54); вакуумные (К61); полистирольные с фольговыми и с металлизированными обкладками плѐночные (К70) и (К71); фторопластовые плѐночные (К72); полиэтилентерефталатные с металлизированными и с фольговыми обкладками плѐночные (К73 и К74); комбинированные плѐночные (К75) и лакопленочные (К76); поликарбонатные и полипропиленовые плѐночные (К77 и К78); переменные вакуумные (КП1); подстроечные воздушные (КТ22) и с твѐрдым диэлектриком (КТ4).

Конденсаторы тонкопленочных гибридных и полупроводниковых ИС имеют твѐрдый диэлектрик.

Современное производство рассчитано в основном на изготовление керамических, плѐночных, электролитических и оксиднополупроводниковых конденсаторов (рис.80). Конденсаторы могут быть пакетной, трубчатой, дисковой, литой секционированной, рулонной и многопластинчатой конструкций.

Пакетная конструкция характерна для слюдяных (рис.81,а - в), стеклоэмалевых, стеклокерамических и некоторых керамических конденсаторов. Пакет 4 собирают из чередующихся пластинок 2 слюды и напыленных металлизированных обкладок 3, соединяемых в общий контакт фольговыми полосками 1 по торцам пакета, к которому припаивают выводы 6 в виде проволочек или лент. Обкладки стеклоэмалевых, стеклокерамических и некоторых керамических конденсаторов выполняют вжиганием пасты на основе серебра. Пакетную конструкцию опрессовывают и покрывают влагозащитной эмалью.

Рис. 81 Слюдяной конденсатор с металлизированными обкладками;

а– сборка пластин, б – пакет пластин после сборки, в – опрессованный конденсатор;

1– фольговая полоска, 2 – пластинка слюды, 3 – металлизированная обкладка, 4 – пакет пластин, 5 – обжимка, 6 –проволочный вывод, 7 – пластмассовая опрессовка.

Трубчатая конструкция характерна для некоторых керамических конденсаторов (рис.82, а, б). Серебряные обкладки 4 и 5 наносят вжиганием на внешнюю и внутреннюю поверхности керамических трубок 6, имеющих толщину стенок 0,25 мм и более. Для присоединения гибких проволочных выводов 1 внутреннюю обкладку выводят на внешнюю поверхность трубки и создают между ней и внешней обкладкой изолирующий «поясок» 2. В миниатюрных конденсаторах выводы припаивают к обкладкам, не закручивая и не создавая перехода. Трубчатые конденсаторы имеют влагостойкое эмалевое покрытие, по цвету которого определяют группу их стабильности емкости.

Рис. 82. Трубчатый керамический	Рис.83.Дисковый	керамический
конденсатор:	конденсатор:
а – общий вид, б – конструкция;	а – общий вид, б – конструкция;
1– проволочный вывод, 2 – изолирующий «поясок»,	1– проволочный вывод, 2,4 – верхняя и нижняя
3 – эмаль, 4, 5 – внутренняя и внешняя обкладки,	обкладки из серебра, 3 – припой, 5 – керамический
6 – керамическая трубка	диск

Дисковая конструкция характерна для некоторых постоянных и полупеременных керамических конденсаторов (рис. 83, а, б). Серебряные обкладки 2 и 4 вжигаются в обе плоскости керамического диска и имеют форму полумесяца (при жѐстком креплении проволочных выводов 1, проходящих через толщу диска 5) или круга (при пайке проволочных выводов к обкладкам). Дисковые конденсаторы также покрывают цветной эмалью.

Литая секционированная конструкция характерна для керамических конденсаторов КЛС (керамические литые секционированные – рис. 84) и КЛГ (керамические литые герметизированные). Конденсаторы изготовляют литьем горячей керамики. Минимальная толщина стенок 100 мкм, а воздушного зазора (прорези) между ними 130 – 150 мкм. Обкладки наносят на поверхности стенок окунанием в серебряную пасту и вжиганием ее. Для коммутации секций сошлифовывают торцы пазов и наращивают общие обкладки, после чего припаивают к ним проволочные выводы.

Рис. 84. Керамические литые секционированные; 1 – керамическая заготовка, 2 – поверхность выводной обкладки,

3 – воздушный зазор.

Рулонная конструкция характерна для бумажных (рис. 85, а, б), пленочных и электролитических конденсаторов сухого типа. Бумажные и пленочные конденсаторы изготовляют, одновременно свертывая в рулон фольговые обкладки 2, разделенные бумагой 1 или пленкой (толщина бумаги не менее 5 мкм, пленки 10 –20 мкм, обкладок из алюминия 80 мкм). Обкладки металлобумажных и металлопленочных конденсаторов получают нанесением тонкого металлического слоя (сотые доли микрометра) на поверхность ленты из диэлектрика.

Рис. 85. Рулонный бумажный конденсатор: а – конструкция, б – общий вид; 1 – бумага,

2 – фольговые обкладки, 3 – герметичный корпус, 4 – проволочный вывод.

Электролитические конденсаторы изготовляют, прокладывая между двумя лентами обкладок (оксидированной и неоксидированной) ленту из бумаги или бязи, пропитанной электролитом и сворачивая их в рулон. Роль диэлектрика выполняет оксидная пленка алюминия ( = 10) или тантала ( = 25) толщиной в сотые доли – единицы микрометра. Малая толщина диэлектрика обеспечивает электролитическим конденсаторам высокую удельную емкость. Электролит выполняет роль второй обкладки, необходим для поддержания требуемой электрической прочности пленки при рабочих напряжениях от единиц до сотен вольт и является ограничивающим гасящим сопротивлением в схеме конденсатора. Толщина алюминиевой фольги 50-100 мкм, а танталовой до 10 мкм.

Многопластинчатая конструкция характерна для воздушных конденсаторов переменной емкости (рис. 86). Основными элементами таких конденсаторов являются корпус 4, статорная и роторная секции, системы подвески оси и статора, ось 2 и токосъемник 6. Статорная секция состоит из пластин 5, а роторная – из пластин 10 и 11, укрепленных на швеллерах и оси различными способами (расчеканкой, пайкой, отбортовкой, методом напряженных посадок). Ротор, как правило, заземлен на корпус, а статор изолирован от него.

При вращении оси изменяется взаимное положение роторных и статорных пластин в пределах от 0 до 180 , а следовательно, площадь их перекрытия и емкость конденсатора. Закон изменения емкости в зависимости от угла поворота чаще определяется формой роторных пластин, а реже – статорных. Подпятник 8 служит для регулировки плавности вращения оси. Крайние пластины 10 ротора делают разрезными. Отгибая или подгибая часть сектора пластины, можно изменять емкость в небольших пределах, подгоняя ее под требуемое значение для заданного угла поворота согласно закону изменения емкости данного конденсатора.

Рис. 86. Многопластинчатый воздушный конденсатор переменной емкости: 1 – гребенка ротора, 2 – ось, 3 – насыпной шариковый подшипник, 4 – корпус, 5 – пластина статора, 6 – токосъемник, 7 – валик крепления, 8 – подпятник, 9 – планка

крепления, 10,11 – разрезная и неразрезная пластины ротора

Основные параметры

Основными параметрами конденсаторов всех типов являются номинальная емкость, класс точности, температурный коэффициент емкости, номинальное рабочее напряжение, сопротивление изоляции, частотные характеристики, а переменных и полупеременных, кроме того, – закон изменения емкости от угла поворота и ее диапазоны.

Емкость (Ф) конденсатора в общем случае

С =Q/U,

где Q – накопленный на обкладках электрический заряд, Кл; U – напряжение на обкладках, В.

Емкость (пФ) конденсаторов с плоскими электродами

С =0,0884S/d,

где – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь обкладки, см 3; d – толщина диэлектрика, см.

Емкость (пФ) многопластинчатых, пакетных и литых секционированных конденсаторов

С = 0,0884S(n-1)/d,

где n – число пластин (обкладок). Емкость (пФ) трубчатых конденсаторов

С = 0,241l/[lg(D2/D1)],

где l – длина обкладок по образующей цилиндра, см; D1 и D2 – внешний и внутренний диаметры трубки, см.

Так как толщина трубки = D1 – D2 , то

С = 0,241l/[lg(1-/D1)].

Ёмкость (пФ) конденсаторов рулонного типа

С=0,1768 bl/d,

где b и l – соответственно ширина и длина обкладки, нанесѐнной на ленту, d – толщина диэлектрика.

Одной из важнейших характеристик качества конденсаторов является удельная ѐмкость (пФ/см 3) (емкость, отнесенная к объѐму конденсатора V) Суд=С/V.

Номинальная ѐмкость конденсатора 1 пФ и выше определяется рядом значений, приведѐнных в ГОСТ 2519-67. Фактическая ѐмкость конденсатора может отличаться от номинальной. Эти отличия определяют класс точности конденсаторов (ГОСТ 9661073), т.е. допустимые отклонения ѐмкости от номинальной (в процентах). Для основных классов точности большинства групп конденсаторов существуют ряды номинальных емкостей: для I класса ( 5%) – ряд Е24; для II класса (10%) –ряд Е12; для III класса (12%) – ряд Е6 (цифра после буквы обозначает количество градаций значений емкости,

которое может быть умножено на 10 n, где n –целое положительное или отрицательное число).

Номинальные ѐмкости электролитических конденсаторов выбирают из ряда 0,5; 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50, 100, 200, 300, 500, 1000, 2000, 5000.

Рис. 88. Эквивалентные схемы конденсаторов:

а – высокочастотного, б – низкочастотного (электролитического).

Номинальные ѐмкости (от 0,1 мкФ и выше) конденсаторов с бумажным и плѐночным диэлектриком в прямоугольных корпусах имеют следующий ряд значений: 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 10; 20; 40; 60; 80; 100; 200; 400; 600; 800; 1000.

Стабильность ѐмкости конденсаторов определяется еѐ изменениями под действием таких дестабилизирующих факторов, как температура, старение, влага, фоновое излучение и др. Наибольшее влияние оказывает температура. Еѐ влияние на ѐмкость конденсаторов небольших емкостей оценивается температурным коэффициентом емкости (1/С) ТКЕ=С/(Соt), где Со – емкость конденсатора при нормальной температуре, пФ; С –отклонение ѐмкости при изменении температуры на t, С.

Для большинства конденсаторов в рабочих диапазонах температур наблюдается постоянство ТКЕ, т.е. закон изменения ѐмкости от температуры близок к линейному. Это особенно характерно для высокочастотных керамических конденсаторов, ТКЕ которых обозначают буквой (П – плюс, М

– минус, МПО – ноль) и цифрами, указывающими значение ТКЕ, умноженное на 10 6 1/С. Конденсаторы при этом окрашиваются эмалью определенного цвета и имеют (или не имеют) знаковую отметку.

Электрическая прочность конденсатора по ГОСТ 21 415-75 характеризуется номинальным и испытательным напряжением, а также перенапряжением. Номинальным является максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать в течение минимальной наработки в условиях, указанных в технической документации. Испытательное – это напряжение, превышающее номинальное и служащее для проверки электрической прочности конденсатора. Перенапряжение превышает номинальное и может кратковременно подаваться на выводы конденсатора.

Сопротивление изоляции конденсаторов определяется токами утечки, обусловленными током абсорбции и диссоциацией влаги на их поверхности.

Сопротивление изоляции зависит от температуры и влажности окружающей среды, поэтому для его повышения и стабильности работы конденсаторов их герметизируют. Сопротивление изоляции керамических, слюдяных и плѐночных конденсаторов 10 4 10 5 МОм, а бумажных и металлобумажных 10 2 10 3 МОм. Значительными токами утечки (единицы миллиампер) обладают электролитические конденсаторы.

Частотные свойства конденсаторов характеризуются паразитной индуктивностью и активными потерями.

В зависимости от преобладания активных потерь (в диэлектрике или в обкладках и выводах) эквивалентные схемы конденсаторов имеют различный вид. Для эквивалентной схемы высокочастотных конденсаторов в основном характерны паразитная индуктивность выводов Lв и потери в диэлектрике Rд (рис. 88, а).

Эквивалентная схема бумажных и плѐночных низкочастотных конденсаторов аналогична схеме,показанной на рис. 88, а. Основным ограничением применения электролитических конденсаторов на определѐнной частоте являются потери в электролите Rэ. Так, из схемы, показанной на рис. 88, б, видно, что область возможного применения электролитических конденсаторов ограничивается диапазоном от постоянного тока и звуковых частот.

Высокочастотные конденсаторы постоянной ёмкости

Высокочастотные конденсаторы (керамические, слюдяные, стеклоэмалевые, стеклокерамические и стеклянные) имеют малую паразитную индуктивность и незначительные потери в диэлектрике, обладают высокими стабильностью (10 5 1/С) и точностью (до 2%), достаточной температуростойкостью, малыми габаритами и массой.

Высокочастотные конденсаторы применяют в схемах генераторов и усилителей сверхвысокой, высокой и промежуточной частот. Наиболее точные и стабильные высокочастотные конденсаторы используют как контурные, а остальные – в качестве разделительных, фильтровых и термокомпенсирующих в высокочастотных цепях. Номинальная ѐмкость некоторых из них может быть до 1мкФ, поэтому их используют как разделительные и даже фильтровые по высокой и низкой частоте (например, КМ, КЛГ, КЛС).

Рис. 89. Высокочастотные конденсаторы

а– КЛГ, б – КМ-6, в – КД-2Е, г – КТ-1, д – КТП (вариант «б»),

е– К10-17 (варианты «а» и «в»), ж – К10-60, з – К15-5, и – КСОТ, к – К22-4

Керамические литые герметизированные и секционированные конденсаторы КЛГ и КЛС имеют значительную ѐмкость и сравнительно малые габариты 4 5 (4 10) мм. Конденсаторы, изготовляемые из термостабильной керамики, имеют, как правило, малую емкость и жесткие допуски ( 2%; 5%), а из сегнетокерамики – менее стабильны и точны (от – 20 до +80%), но обладают наибольшей емкостью.

Керамические малогабаритные пакетные конденсаторы КМ-6 (монолитные) обладают повышенной удельной емкостью вследствие малой толщины пластинок (0,2 мм), спрессованных в пакет, или применения керамики, обладающей высокой диэлектрической постоянной (тиконд-150, сегнетокерамика).

Дисковые керамические конденсаторы КДУ и КДО используются в качестве контурных, разделительных и фильтровых (опорных) в высокочастотных цепях аппаратуры. Конденсаторы КДУ, имеющие короткие утолщенные ленточные выводы, припаянные параллельно или перпендикулярно обкладкам диска (диаметром 8,5 – 16,5 мм и толщиной 2 – 5 мм), обладают малой собственной индуктивностью и могут применяться на частоте до 500 МГц. Конденсаторы КДО (фильтровые) имеют металлический фланец с резьбовой втулкой, на котором закреплен диск диэлектрика. Плюсовой вывод выполнен в виде ленточного лепестка, а минусовой – в виде резьбовой втулки, с помощью которой конденсатор ввинчивают в

металлическое основание. Конденсаторы КД-2Е (дисковые повышенной надежности) используются как контурные и имеют диаметр 6 –10 мм при толщине 7 мм.

Керамические трубчатые конденсаторы КТ, КТ-1Е и КТ-2Е, обладающие высокой точностью, стабильностью и надежностью, чаще используются как контурные, имеют размеры (3,5 7) (10 50) мм и радиальные гибкие проволочные выводы. Конденсаторы КТ-1Е и КТ-2Е (повышенной надежности) похожи по конструкции на резисторы ОМЛТ (на трубки надеты колпачки с проволочными аксиальными выводами).

Керамические трубчатые проходные КТП и опорные КО конденсаторы, используемые в качестве фильтровых при напряжении до 750 В, ввинчиваются в шасси аппаратуры металлическими резьбовыми фланцами.

Керамические высоковольтные импульсные конденсаторы КВИ, используемые в цепях напряжением от 5 до 15 кВ, при обычной цилиндрической форме имеют гибкие проволочные аксиальные выводы, а выполненные в виде укороченного плоского цилиндра – резьбовые втулки, прессованные в торцы. Эти конденсаторы применяют в высоковольтных выпрямителях телевизионных приемников.

Керамические миниатюрные конденсаторы К10 предназначены в качестве компонентов микросхем и микросборок.

Конденсаторы К10-17 превосходят по удельной емкости в 2-3 раза конденсаторы КМ-6 К10-9 и выпускаются трех исполнений: в опрессованных и компаундированных оболочках с гибкими проволочными выводами (для РЭА, работающей в тропических условиях) и с металлизированными выводами –площадками (для микросхем). Размеры конденсаторов первых двух исполнений от 6,6 4,5 5,5 до 8,2 6,6 5,5 мм, а третьего – от 1,7 1,2 1

до 5,9 4,3 1,8 мм.

Конденсаторы К10-22 имеют диаметр от 1,7 до 6,7 мм и толщину не боле

0,3 мм.

Конденсаторы К10-23 по конструкции аналогичны первому варианту исполнения конденсаторов К10-17, имеют размеры 9 4,5 6,5 мм и применяются в условиях тропического климата.

Конденсаторы К10-27, изготовленные в виде монолитной керамической пластины прямоугольной формы с размерами сторон (4 8) (4 6,5) мм при толщине 1 – 1,2 мм. Так как эти конденсаторы выполнены из двух, трех или пяти секций, они соответственно имеют по три, четыре и шесть выводов.

Конденсаторы К10-42 (незащищенные для СВЧ техники), предназначенные для работы на частоте до 2 ГГц, имеют торцевые луженые или серебреные контакты; их размеры 1,5 (1,3 1,4) (1 1,2) мм.

Конденсаторы К10-50 выпускаются в двух вариантах – «а» и «б». Для варианта «а» длина составляет от 6,8 до 8,4 мм, высота 5,6 мм; ширина от 4,6 до 6,7 мм при массе от 0,5 до 0,8 г. Для варианта «б» длина составляет от 1,5 до 5,5 мм, высота от 1,2 до 4,4 мм при массе от 0,1 до 0,6 г.

Слюдяные опрессованные конденсаторы КСОТ и К31У-3Е нескольких типоразмеров отличаются габаритами, массой, выводами (проволочные, ленточные, резьбовые) и используются как контурные и разделительные в высокочастотных цепях. Эти конденсаторы имеют четыре группы стабильности, обозначаемые на корпусе буквами А, Б, В, и Г. наиболее стабильны конденсаторы группы Г (с металлизированными обкладками), поскольку их ТКЕ определяют в основном КТР диэлектрика (слюда), а не фольги, который значительно больше. Конденсаторы пропитываю церезином и опрессовывают термоактивной пластмассой.