![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Конструкция конденсаторов и используемые материалы
Конструкция конденсаторов в основном определяется эксплуатационными и технологическими свойствами их диэлектрического материала. Конденсатор как технологический узел представляет собой совокупность конструктивных элементов определенной формы, изготовленных из специально подобранных материалов. Конструктивное оформление конденсатора зависит также от способа его установки в РЭС (монтаж объемный, монтаж печатный традиционный, монтаж печатный поверхностный, монтаж в микросборку). В конденсаторах с неорганическим диэлектриком используются керамика, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамика и слюда. К ним же относятся конденсаторы с газообразным диэлектриком, в качестве которого может использоваться воздух, вакуум, сжатый газ (азот, фреон, элегаз1). Среди конденсаторов имеются группы низковольтных (номинальное напряжение менее 1600 В), высоковольтных, помехоподавляющих, низкочастотных и высокочастотных. В составе РЭС они
КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ Керамические конденсаторы относятся к самым массовым компонентам РЭС. К их достоинствам следует отнести широкий диапазон номинальных емкостей, возможность изготовления конденсаторов с заданным температурным коэффициентом емкости, устойчивость к внешним воздействующим факторам, высокую надежность, достаточно простую технология изготовления, низкую стоимость. Рис. 8. Некоторые типы керамических конденсаторов: а-трубчатый КТ-1: дисковые КД-1; КД-2; пластинчатый К10-7В; полупроводниковый К10У-5; б- схема подключение выводов к обкладкам трубчатого конденсатора У керамических конденсаторов базовый конструктивный элемент изготовлен из керамики, на поверхность которой нанесены обкладки в виде металлических слоев. Форма керамического базового элемента, применяемого в конденсаторах этого типа, может быть трубчатой (марки КТ-1; КТ-2; КТ-3; К10-38; КТП, КТИ), пластинчатой (КЮ-7В), дисковой (КД-1, КД-2, К1О-1Э, КД-29, К10-78), монолитной (К10-17, К10-27, К10-42, К10-43, К10-47, К10-49, К10-50, К10-60, К22-5), бочоночной (например, К15У-2, К15-9), горшкообразной (например, К15У-3). К однослойным керамическим конденсаторам (используется всего один слой диэлектрического материала) относятся трубчатые, дисковые, пластинчатые, имеющие номинальную емкость от 0, 47 пФ до 0, 063 мкФ и номинальное напряжение до 800 В. На рис. 8, а изображен внешний вид трубчатого, дисковых, пластинчатого и полупроводникового керамических конденсаторов и эскиз расположения обкладок трубчатого конденсатора (рис. 8, 6). Проволочные выводы припаяны к краям металлизированных обкладок трубки, дисков и пластины. Керамические конденсаторы с барьерным слоем и на основе полупроводниковой керамики имеют большую емкость, но значительное изменение емкости в диапазоне температур (Н20-Н90). Монолитные керамические конденсаторы, относящиеся к группе низковольтных и обладающие значительной удельной емкостью, производят различными конструктивными вариантами В основе своей они имеют монолитный блок (рис. 9), состоящий из чередующихся тонких (пластичных до обжига) керамических или стеклокерамических прослоек с нанесенными на них обкладками, спрессованными при высокой температуре. Металлизация обкладок наносится до термообработки, а не после нее, как это обычно делается Толщина изоляционных прослоек 30.., 50 мкм, удельная емкость при номинальном напряжении 50 В составляет 1...20 мкФ/см3. Монолитные конденсаторы могут иметь защитное покрытие эпоксидными смолами (марки К22-5; К10-17), пластмассовый корпус (марки К10-17, К10-43, К10-49, К10-50). К низковольтным керамическим конденсаторам относятся также КМ-3, КМ-4, КМ-5, КМ-6 К10-9 К10-23 К10-27, К10-28, К10-36, К10-42, К10-47, К10-52, К10-56, К10-57, номинальное напряжение 10...250 В. Рис. 9. Модель керамической за- Рис. 10. Высоковольтные керамиче- готовки монолитного конденсатора ские конденсаторы типов К15У-3 и К15У-1 Высоковольтные высокочастотные керамические конденсаторы (рис. 10), которые применяют, в основном, в выходных каскадах мощных передатчиков, могут иметь форму плоскую (марки К15У-1, К15-2, К15-14), трубчатую (К15У-2, К16-11) и горшкообразную (К15У-3). Высоковольтные низкочастотные керамические конденсаторы используют, в основном, в цепях постоянного тока (цепях питания). Их конструкция может предусматривать изоляцию (например, К15-4; K1S-5) или нет (К15-10). Емкость конденсаторов может достигать 15нФ, а номинальное напряжение 1, 6...63 кВ. К специальным керамическим конденсаторам относятся проходные и опорные конденсаторы (рис. 11), предназначенные обеспечивать в высокочастотных узлах РЭС, фильтрацию и блокировку сигналов помех с целью достижения электромагнитной совместимости узлов и блоков. Конструктивно они могут быть снабжены резьбой для крепления к шасси с помощью гайки (например, КТП-1; КТП-2; КО-1; КО-2; КДО-1; КДО-2) или фланцем для пайки к поверхности экранирующих перегородок корпуса (например, К10П-4). Номинальная емкость этих конденсаторов находится в пределах 3, 9...15000 пФ, номинальное напряжение - 350...500 В.
Рис. 11 Проходной и опорный ке- Рис. 12.Подстроечные керамиче- КТП-1 и КО-1 КПК-1ИКПК-2
одстроечные керамические конденсаторы (рис. 12) состоят из статорной и роторной частей, выполненных из керамики с нанесенными обкладками. Они предназначены для осуществления регулировочно-наладочных работ технологического процесса производства РЭС, а также регулировок в период эксплуатации. Они могут быть выполнены несколькими конструктивными вариантами (например, КТ4-21; КТ4-23; КТ4-25; КПК; КТ17-КТ23; КТ2-50; КТ2-51) для различных способов крепления к плате печатного монтажа, в том числе бескорпусные (например, КТ4-24; КТ4-27) для монтажа в микросборках.
СЛЮДЯНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ В слюдяных конденсаторах обкладками могут служить тонкая фольга (свинцово-оловянная, но чаще алюминиевая) или тонкий слой напыленного серебра. Пластины диэлектрика с обкладками набираются в пакет, обжимаются и затем опрессовываются пластмассой. Конденсаторы с серебреными пластинами слюды позволяют избежать появления воздушных включений между поверхностями слюды и обкладки (рис. 13), что несколько снижает температурный коэффициент емкости и приближает его к линейной зависимости от температуры. Достоинством слюдяных конденсаторов является повышенная добротность, стабильность емкости, высокая надежность, устойчивость работы при относительно больших реактивных мощностях (5...300 ВАР). К недостаткам относятся: невысокая удельная емкость, сложность технологических операций изготовления, относительно большие масса и стоимость. Слюдяные конденсаторы (рис. 14) изготавливаются нескольких типов - слюдяные опрессованные (К31У-3; К31П-5), слюдяные уплотненные (К31П-4; К31-10; К31-14), герметизированные (КСГ; СГМ, СГО, ССГ); опрессованные теплостойкие (К31-10 до +125°С). Диапазон номинальных напряжений 250...7000 В, номинальные емкости 51 пФ...0, 2 мкФ, допустимые отклонения номинальных емкостей±(2...20)%, температурный диапазон -60...+85°С. Рис. 13. Схема соединений Рис. 14. Слюдяные конденсаторы посеребренных обкладок слюдяного типов К31У-3 и К31-14 конденсатора СТЕКЛЯННЫЕ И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Стекло (боросиликатное, щелочное) как диэлектрик конденсатора является дешевым материалом, имеющим диэлектрические потери среднего уровня и, кроме того, позволяет изготавливать конденсаторы достаточно высокой электрической прочности (25...30 кВ/мм) при небольшой толщине слоя. Однако потери существенно возрастают при повышении температуры. Исходным материалом диэлектрика конденсаторов этого типа является стеклоэмаль, которая наносится на металлический лист основания. После сушки стеклоэмали на ее поверхность через трафарет наносят слой серебряной пасты, далее снова создают диэлектрический слой стеклоэмали и (после сушки) серебряной пастой наносят заготовку следующей обкладки и т.д. После изготовления необходимого количества слоев заготовку конденсатора спекают (600...800°С) и разрезают. В результате получаются монолитные остеклованные пластинки в форме параллелепипедов, к которым после зачистки торцов припаивают электрические выводы (рис. 15). Толщина диэлектрического слоя 100...200 мкм. Стеклянные конденсаторы по своим характеристикам достаточно близки к слюдяным, но являются более теплостойкими. Изменяя состав стекла добавками, можно управлять свойствами этого диэлектрика. Рис. 15. Конструкций стеклянных Рис. 16. Стеклянные конденсаторы Кстеклянным и стеклокерамическим относятся конденсаторы следующих марок: КС-1; КС-2; КС-3; СКМ; К21-5; К21-7; К21-8; К21-9; К22У-1- К22-4- К22-5 (рис. 16). Номинальные емкости 9, 1 пФ...0, 12 мкФ; диапазон температур –б0...+125º С (+200°С СКМ-Т); тангенс угла диэлектрических потерь КОНДЕНСАТОРЫ С ГАЗООБРАЗНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ
Специфическую группу представляют конденсаторы с газообразным диэлектриком, которые по характеру изменения емкости бывают постоянными и переменными. Благодаря практической независимости газовой среды внутреннего объема постоянных конденсаторов этого типа (вакуумных и газонаполненных) от окружающей атмосферы, они отличаются высокой стабильностью характеристик во времени и малыми диэлектрическими потерями. Поэтому они применяются, в основном, в высокочастотных цепях генераторов передатчиков, работающих при высоких напряжениях 3 кВ (например, К61-16)...100 кВ (например, К61-18). К вакуумный конденсаторам постоянной емкости относятся: К61-1: К61-3; К61-4; К61-5; К61-9; К61-16; К61-18; В; KB; BB; ВМ. Номинальные емкости 10 пФ (К61-1)...500 пФ (К61-3); диапазон температур -60°С (-10º C для К61-18)... +70...125°С (+200°С для К61-9); диэлектрические потери Вакуумные конденсаторы переменной емкости (КП1-3; КП-ЗМ; КП1-4; КП1-6...КП1-9; КП1-10-КП1-13; КП1-16) обладают малым моментом вращения и высоким коэффициентом перестройки емкости (например, коэффициент перестройки у конденсатора КП1-12 составляет 120). Минимальная емкость 10 пФ (например, КП1-10)...1200 пФ (КП1-12); диапазон температур - 60... +70... +125 °С (+200°С для КП1-10); диэлектрические потери Конденсаторы с воздушным диэлектриком представлены практически только конденсаторами переменной емкости и подстроечными конденсаторами. Конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком применяются в составе РЭС для настройки колебательных контуров на заданную частоту, регулировки емкостной связи между высокочастотными узлами, балансировки высокочастотных мостовых цепей, компенсации или подбора реактивной составляющей импеданса электрической цепи (например, в измерительных устройствах и полосовых фильтрах). Конструкция конденсатора переменной емкости предусматривает изменение емкости конденсатора вращением системы плоских обкладок (роторных пластин) относительно неподвижных статорных пластин, расположенных таким образом, что при настройке роторные пластины входят в зазоры между статарными. Ротор может поворачиваться в подшипниках скольжения (конденсаторы бытовых РЭС и подстроенные конденсаторы) или шариковых подшипниках (специальные РЭС).
Рис.17. Трехсекционный конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком
На рис. 17 изображен трехсекционный конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком, применяемый, главным образом, для перестройки сопряженных резонансных контуров супергетеродинного приемника (входная цепь приемника, вход преобразователя частоты, гетеродин). В данной конструкции используется вращательное перемещение подвижной системы на угол θ относительно неподвижной в пределах 0...1800. По закономерности изменения настройки колебательного контура на частоту f с помощью переменных конденсаторов, их подразделяют на прямочастотные (кривая 1 на рис. 18) и прямоемкостные (кривая 2). При использовании прямочастотного конденсатора шкала настройки колебательного контура является равномерной. Коэффициент перекрытия контура по частоте является отношением вида:
На рис. 9.19 приведена эквивалентная схема замещения конденсатора переменной емкости, в которой:
Добротность конденсатора зависит от эквивалентного сопротивления его потерь: Сопротивление изоляции Rиз, между выводами конденсатора составляет 109...1010 Ом и даже с потерей двух-трех порядков при повышении влажности окружающей среды слабо влияет на добротность конденсатора. Рис. 18. Частотная характеристика конденсатора переменной емкости: 1- прямочастотная; 2- прямоемкостная Рис.19. Эквивалентная схема замещения конденсатора переменной емкости
Значение переходного сопротивления токосъема R^^ определяется конструкцией конденсатора и условиями эксплуатации. Нестабильность RK0KT вызывает появление шумового напряжения (2...6 мкВ, а при загрязнении контактирующих поверхностей до 10...20 мкВ). Контакт с пластинами ротора достигается с помощью токосъемной плоской пружины, что в некоторых случаях неприемлемо в силу упомянутого шумового напряжения, возникающего в цепи. Но, если вместо контакта трением применить соединительную многовитковую пружину, то возрастает индуктивность выводов конденсатора, что затрудняет его использование в высокочастотных цепях (50...200 МГц). Колебания пластин переменного конденсатора, вызванные вибрацией или ударами, сопровождающими работу РЭС, приводят при включении конденсатора в резонансный контур к появлению 8 контуре нежелательных процессов, например, амплитудной или частотной модуляции. Следовательно, пластины конденсатора должны обладать определенным уровнем механической устойчивости, которая достигается увеличением толщины пластин. Однако это ведет к снижению удельной емкости и к увеличению массы конденсатора. Cдвоенный прямоемкостной конденсатор переменной емкости, у которого две группы пластин и одна - роторная, образуют дифференциальный конденсатор, емкость которого равна сумме двух конденсаторов (рис. 20, а), не изменяющаяся при повороте ротора на 180°. Преимуществом дифференциального конденсатора является отсутствие трущихся контактов ротора, если емкость конденсатора образуется между выводами пластин статорных групп (активный угол поворота при этом равен 90°) Разновидностями дифференциального конденсатора переменной емкости являются варианты, в которых между двумя секциями пластин статора помещается одна секция роторных пластин конфигурация и размер которых позволяют свести к минимуму начальною емкость. Эти конденсаторы называют ‹‹бабочка›› (butterfly). По варианту рис. 20, б конденсатор имеет емкость
Рис. 20. Дифференциальный конденсатор (а) и его разновидности (б-г) Подстроенные конденсаторы (рис. 21) применяются в составе узлов РЭС для технологической подстройки емкости в цепи, т.е. когда изменение емкости производится достаточно редко. Поэтому к механическому узлу вращения ротора не предъявляют высоких требований. Рис. 21. Подстроенные конденсаторы с воздушным диэлектриком типов КП8 и КТ2-21
Конструкция подстроечных конденсаторов с воздушным диэлектриком аналогична конструкции конденсаторов переменной емкости (используются только прямочастотные формы пластин), за исключением цилиндрических подстроечных конденсаторов, у которых изменение емкости производится не вращательным, а поступательным движением статорных и роторных цилиндров или движением цилиндрического поршня. Такая конструкция конденсатора обеспечивает некоторый выигрыш в объеме по сравнению с вращательным переменным конденсатором, поскольку позволяет получить механически жесткую конструкцию роторных и статорных частей при весьма малых толщинах стенок (до 0, 1мм). Кроме того, цилиндрические подстроечные конденсаторы обладают за счет многооборотности винта перемещения более плавной перестройкой емкости. К подстроенным конденсаторам с воздушным диэлектриком относятся конденсаторы марок КПВ; КПВМ; КТ2-17 - КТ2-21; КТ2-23; КТ2-50; КТ2-51. Температурный коэффициент подстроечных конденсаторов различных типов находится в интервале ВАРИКОНДЫ Вариконд - нелинейный конденсатор с диэлектриком из специального материала (сегнетокерамики). Изменение емкости вариконда происходит за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетокерамики Обычно номинальное значение емкости определяется у конкретного экземпляра вариконда приложенным напряжением 5 В (эффективное значение) промышленной частоты 50 Гц (вариконды типов ВК2-Б; ВК2-БШ; ВК4-Б), на частоте 1 кГц (вариконды типов ВК2-1-ВК2-4; ВК4-1-ВК4-4), на частоте 0, 1.-1 МГц (КН1-5; КН1-6). Подача дополнительного постоянного напряжения смещения позволяет расширить возможности управления емкостью вариконда. Значительные емкости
Рис. 22. Зависимость диэлектриче- Рис. 23. Вариконды типов ВК2-1 от напряженности электрического поля
Вариконды (рис.23) обладают номинальной емкостью 470 пФ (ВК2-1)... 0, 22 мкФ (ВК2-БШ); СВЧ вариконды 2, 2...47 пФ (КН1-5). Предельные рабочие напряжения постоянного тока составляют 160 В, а переменного тока (с частотой не более 1 кГц) - 100 В. Коэффициент управления варикондов (показывающий, во сколько раз снижается их емкость при увеличении постоянного напряжения от 0 до 200 В) составляет 1, 3 (КН1-5) и 1, 5 (КН1-6). Допускаемый разброс емкости СВЧ варикондов ±0, 5% (емкость до 10 пФ, КН1-5); ±20% (емкость более 10 пФ; КН1-6); от-20 до+80% (ВК2-1; ВК2-4; ВК4; КН1-6 более 10 пФ). Диэлектрические потери низкочастотных варикондов не нормируются (однако ВК2-1; ВК2-4; ВК4 имеют Вследствие высокого уровня термической чувствительности сегнетоэлектрика возможно создание высокочувствительных приемников инфракрасного и СВЧ излучения, модуляции лазерного луча электромагнитным полем радиочастоты вплоть до СВЧ, емкостных умножителей частоты, емкостного шунта для искрогашения во взрывоопасной среде, преобразования частоты, распределенного усиления, фазовращателей, переключателей, линий задержки на полосковых линиях СВЧ, преобразователей амплитудно-модулированных колебаний в фазомодулированные. Интересной областью применения варикондов является управление с их помощью импульсными генераторами и схемами формирования импульсов. Например, импульсные генераторы с варикондами, емкость которых управляется входным напряжением, могут использоваться как делители частоты с управляемым коэффициентом деления, в схемах кодирующих устройств, безынерционных преобразователях напряжение-частота и др.
Рис. 25. Зависимость периода ко- обычным конденсаторам 2-схема с обычными конденсаторами; 3 – схема с параллельным включением варикондов и обычных конденсаторов На рис. 24 приведена схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями, у которого повышена температурная стабильность периода колебаний (рис. 25, кривая 3) с помощью варикондов, включенных во времязадающие цепи параллельно обычным конденсаторам. Рис. 26. Одна из рулонных конструкций пленочных и бумажных конденсаторов В конденсаторах с органическим диэлектриком обкладки создают намоткой из металлизированной пленки или фольги, проложенных тонкой лентой диэлектрического материала (рис. 26). По свойствам диэлектрика конденсаторы могут относиться к группам низковольтных или высоковольтных (свыше 1600 В). В свою очередь, низковольтные конденсаторы могут быть низкочастотными (рабочая частота до 105 Гц) и высокочастотными (рабочая частота до 107 Гц). Большую часть конденсаторов с органическим диэлектриком составляют пленочные конденсаторы, которые содержат синтетическую диэлектрическую пленку (толщиной от 1, 4 до 30 мкм). Конденсаторы с фольговыми обкладками обладают большей устойчивостью характеристик в эксплуатационных условиях, хотя стоимость их несколько выше и, кроме того, по удельной емкости они проигрывают конденсаторам с металлизированными обкладками. ПОЛИСТИРОЛЬНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ Фольговые и металлизированные полистирольные конденсаторы в своем большинстве относятся к группе высокочастотных и низковольтных (рабочие напряжения от 50 до 500...1600 В). Лишь полистирольный конденсатор типа ПОВ специально разработан для применения в высоковольтных цепях питания кинескопов и имеет номинальное напряжение 10...18 кВ при емкости 390...120ПФ. Конструкция выпускаемых полистирольных конденсаторов (рис. 27) достаточно разнообразна.
Рис. 27, Полистирольные конденсаторы К71-7, К71-6. К70-7, ПОВ, ПМ-2
Они могут быть открытыми (ПО, МП-1), в металлическом корпусе (ПМ-2; К70-4; К70-7; К71-4; К71-5; К71-8); уплотненными с помощью пластмассовой оболочки (К70-6; К70-8; К71-6; К71-7). Полистирольные конденсаторы типа К71-7, изготовленные на основе металлизированной пленки, обладают наименьшим допустимым разбросом номинальных значений ±(1...5)% и достаточно широким диапазоном емкостей (1000 пФ...0, 3 мкФ) при номинальном напряжении 250 В (температурный коэффициент отрицателен и составляет -
|