Изучение резисторов и конденсаторов

Типичный вид вольт - амперной характеристики показан на рис.1.17.

Характеристика 2 имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Варисторы с такими ВАХ называют негисторами.

В технических условиях на варисторы обычно приводятся номинальное напряжение (рис.11) т.е. напряжение, при превышении которого на 20% не наблюдается заметного разогрева, ток, протекающий при , коэффициент нелинейности, равный отношению статического сопротивления к дифференциальному.

Параметрами варистора являются:

- номинальное напряжение ;

- номинальный ток ;

- статическое сопротивление ;

- дифференциальное сопротивление ;

- коэффициент нелинейности;

Поскольку сопротивление варисторов значительно меняется с изменением приложенного напряжения, то они находят применение в качестве регулирующих элементов в устройствах автоматики. В обозначении варисторов содержатся буквы СН (сопротивление нелинейное).

Расчет цепей с терморезисторами и варисторами проводится любым из известных методов расчета нелинейных цепей.

Датчики на основе резисторов

Терморезисторы - это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется в зависимости от температуры (рис.1.19,а).

Простейшим датчиком температуры является полупроводниковый резистор, изготовленный, например, в виде стержня с двумя омическими контактами на концах.

При температурах вблизи комнатной концентрация носителей заряда меняется в основном за счет собственных носителей. В связи с этим для увеличения относительного изменения концентрации с изменением температуры необходимо использовать полупроводники с проводимостью, близкой к собственной.

Вследствие нелинейности температурной характеристики вольт - амперная характеристика (ВАХ) будет также нелинейной (рис.1.19,б). При малых токах ВАХ практически линейна (участок ОМ), поскольку мощность, выделяемая в терморезисторе, недостаточна для того, чтобы заметно нагреть его. При больших токах сопротивление резистора уменьшается, что сопровождается уменьшением напряжения на нем.

Терморезистор характеризуется следующими основными параметрами:

- номинальное сопротивление при ;

- температурный коэффициент сопротивления ТКС ();

- максимально допустимая мощность рассеивания ;

- максимально допустимая температура , при которых не происходят необратимые изменения характеристик терморезистора;

- коэффициент рассеяния, численно равный мощности, отводимой от терморезистора в окружающую среду при разности температур поверхности терморезистора и окружающей среды 1 град;

- постоянная времени , равная времени, за которое превышение температуры рабочего тела терморезистора над окружающей средой при охлаждении его в спокойном воздухе уменьшается в 2,7 раза.

Рис.1.19. Характеристики терморезистора.

Из вольт - амперной характеристики терморезистора видно, что при малых напряжениях электрическая энергия, выделяемая в терморезисторе, мала, его температура в зависимости от протекающего тока не изменяется и вольт - амперная характеристика линейна (выполняется закон Ома). При дальнейшем увеличении напряжения выделяемая энергия приводит к повышению температуры и уменьшению сопротивления. Это вызывает увеличение тока, что обусловливает дальнейшее повышение температуры терморезистора, уменьшение его сопротивления и дальнейший рост тока. Такая положительная обратная связь по току приводит к его лавинному нарастанию и появлению участка отрицательного дифференциального сопротивления.

В зависимости от назначения схемы терморезисторы работают в двух основных режимах. При малых напряжениях ток, протекающий через терморезистор, не вызывает его заметного разогрева и определяется по закону Ома. Этот режим используется в устройствах датчиков температуры и схемах температурной компенсации. Как и всякий прибор с вольт - амперной характеристикой - типа, терморезистор может использоваться в схеме переключателя. Сопротивление нагрузки и напряжение источника питания выбираются таким образом, чтобы нагрузочная линия пересекала вольтамперную характеристику терморезистора в трех точках.

Терморезисторы изготавливаются из поликристаллических полупроводников с большим температурным коэффициентом сопротивления. Чаще всего для этой цели используются окислы металлов переходного ряда периодической системы элементов или смеси окислов этих металлов, например никеля и марганца; никеля, марганца и кобальта; титана и магния и др.

Для измерения низких температур (от азотных до гелиевых) часто используются терморезисторы из графита. В последнее время начали широко применяться также терморезисторы из легированного германия и кремния. Введение в эти полупроводники примесей позволяет подобрать оптимальный температурный коэффициент для заданного интервала рабочих температур, так как можно ввести уровни с требуемой энергией активации. Монокристаллические терморезисторы обладают также большей стабильностью и надежностью. Их параметры более воспроизводимы.

Терморезисторы используют в системах измерения и регулирования температуры. В обозначении терморезисторов содержатся буквы СТ.

Тензорезисторы - это резисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием механических воздействий.

Простейшим тензодатчиком является тензорезистор, представляющий собой пластинку или стержень полупроводника с омическими контактами на концах (рис.1.20). Один конец пластины закрепляется в неподвижном основании, а на другой действует сила . Для характеристики изменения сопротивления при деформации пользуются коэффициентом тензочувствительности, который представляет собой отношение относительного изменения сопротивления к относительной деформации (в данном направлении размер полупроводника в направлении деформации). В конструкции тензодатчика на рис.1.20 при изгибе меняется длина стержня, следовательно, направление

Рис.1.20. Схема тензодатчика из германия (а), кремниевой мембраны с четырьмя тензорезисторами и включение ее элементов (б)

деформации совпадает с осью стержня. Для уменьшения влияния температуры на сопротивление тензорезисторы обычно изготавливаются из примесных полупроводников, в которых концентрация основных носителей равна концентрации примесей и не зависит от деформации. Поэтому изменение сопротивления при деформации определяется только изменением подвижности.

Коэффициент тензочувствительности для германия и кремния имеет наибольшее значение порядка 140...175. Он существенно зависит от типа проводимости полупроводника и направления деформации. Большой тензочувствительностью обладают также полупроводниковые соединения GaSb, InSb, PbTe и др.

В настоящее время тензорезисторы широко используются при измерении деформаций, давления, сил смещения, ускорения, в качестве микрофонов и т.д. Для компенсации зависимости сопротивления от температуры часто в плече измерительного моста используются два тензорезистора с одинаковым температурным коэффициентом. Тензодатчиком является только один резистор, а второй служит лишь для компенсации температурного изменения сопротивления первого.

Магниторезисторы - это резисторы с резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от магнитного поля. Свойства магниторезисторов оценивают магниторезистивным отношением, которое показывает, во сколько раз изменяется сопротивление магниторезистора при помещении его в магнитное поле с индукцией 0,5Тл (или 1Тл).

Действие магниторезисторов основано на эффекте Холла, наблюдаемом в твердом теле.

На заряд, движущийся в магнитном поле со скоростью , действует сила Лоренца. Рассмотрим пластинку полупроводника р - типа, через которую протекает ток, направленный перпендикулярно внешнему магнитному полю (рис.1.21). Сила Лоренца отклоняет дырки к верхней грани полупроводника, вследствие чего их концентрация там увеличивается, а у нижней грани уменьшается. В результате пространственного разделения зарядов возникает электрическое поле, направленное от верхней грани к нижней. Это поле препятствует разделению зарядов, и как только создаваемая им сила станет равной силе Лоренца, , дальнейшее разделение зарядов прекратится.

Рис.1.21. Напряжение ЭДС Холла.

Таким образом, на противоположных гранях образца возникнет ЭДС, называемая ЭДС Холла. Такие датчики широко используются для измерения магнитного поля. Их можно использовать также в режиме магниторезисторов, если закоротить противоположные грани образца.

Магниторезисторы могут быть изготовлены на основе других эффектов, например эффекта Гаусса.

Фоторезисторы - это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется под воздействием света. Они используются в качестве датчиков освещенности в системах телеметрии.

2. Конденсаторы

Конденсаторы, как и резисторы, являются одним из наиболее массовых элементов электронных цепей.

Принцип действия конденсаторов основан на способности накапливать электрические заряды на металлических обкладках при приложении к ним напряжения. Количественной мерой способности накапливать электрические заряды является емкость конденсатора. В простейшем случае конденсатор представляет собой две металлические пластины, разделенные слоем диэлектрика. Емкость такого конденсатора [пФ]

,

где - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (); - площадь обкладок конденсатора, [см2]; - расстояние между обкладками, [см].

Конденсаторы широко используют в РЭА для самых различных целей. На их долю приходится примерно 25 % всех элементов принципиальной схемы.

2.1 Классификация и конструкции конденсаторов

В основу классификации конденсаторов положено деление их на группы по виду применяемого диэлектрика и по конструктивным особенностям, определяющим использование их в конкретных цепях аппаратуры. Классификация конденсаторов приведена на рис. 2.1.

Вид диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность емкости, величину потерь и др. Конструктивные особенности определяют характерные области применения: помехоподавляющие, подстроечные, дозиметрические, импульсные и др.

Дальнейшее деление групп конденсаторов по виду диэлектрика связано с использованием их в конкретных цепях аппаратуры, назначением и выполняемой функцией, например, низковольтные и высоковольтные, низкочастотные и высокочастотные, импульсные и др.

Рис. 2.1. Классификация конденсаторов.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения.

Конденсаторы общего назначения делят на низкочастотные и высокочастотные. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными.

К конденсаторам специального назначения относят высоковольтные, помехоподавляющие, импульсные, пусковые, дозиметрические, конденсаторы с электрически управляемой емкостью (варикапы, вариконды) и др.

По назначению конденсаторы подразделяют на контурные, разделительные, блокировочные, фильтровые и т. д.,

По характеру изменения емкости различают конденсаторы постоянные, переменные и полупеременные (подстроечные).

Из названия конденсаторов постоянной емкости вытекает, что их емкость является фиксированной и в процессе эксплуатации не регулируется.

Конденсаторы переменной емкости допускают изменение емкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Их применяют для настройки колебательных контуров.

Емкость подстроечных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение емкости.

По материалу диэлектрика различают три вида конденсаторов: с твердым, газообразным и жидким диэлектриком. По виду диэлектрика также можно разделить конденсаторы с органическим, неорганическим, газообразным и оксидным диэлектриком, который является также неорганическим, но в силу особой специфики характеристик выделен в отдельную группу.

По способу крепления различают конденсаторы для навесного и печатного монтажа, для микромодулей и микросхем. В зависимости от способа монтажа конденсаторы могут выполняться для печатного и для навесного монтажа. Выводы конденсаторов для навесного монтажа могут быть жесткие или мягкие, аксиальные или радиальные, из проволоки круглого сечения или ленты, в виде лепестков, с кабельным вводом, в виде проходных шпилек, опорных винтов. У конденсаторов для микросхем и микромодулей, а также СВЧ - конденсаторов в качестве выводов могут использоваться части их поверхности (безвыводные конденсаторы). У большинства типов оксидных, а также проходных и опорных конденсаторов одна из обкладок соединяется с корпусом, который служит вторым выводом.

По характеру защиты от внешних воздействий конденсаторы выполняются незащищенными, защищенными, неизолированными, изолированными, уплотненными и герметизированными.

Незащищенные конденсаторы допускают эксплуатацию в условиях повышенной влажности только в составе герметизированной аппаратуры. Защищенные конденсаторы допускают эксплуатацию в аппаратуре любого конструктивного исполнения.

Неизолированные конденсаторы (с покрытием или без покрытия) не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры. Напротив, изолированные конденсаторы имеют достаточно хорошее изоляционное покрытие (компаунды, пластмассы) и допускают касания корпусом шасси или токоведущих частей аппаратуры.

Уплотненные конденсаторы имеют уплотненную органическими материалами конструкцию корпуса.

Герметизированные конденсаторы имеют герметичную конструкцию корпуса, который исключает возможность сообщения окружающей среды с его внутренним пространством. Герметизация осуществляется с помощью керамических и металлических корпусов или стеклянных колб.

2.2 Основные конструкции конденсаторов

Рассмотрим типичные конструкции конденсаторов.

Пакетная конструкция применяется в слюдяных, стеклоэмалевых, стеклокерамических и некоторых типах керамических конденсаторов и представляет собой пакет чередующихся металлических и диэлектрических пластин или тонких пленок. На рис 2.2 показана конструкция слюдяного конденсатора. На пластины слюды 1 толщиной около 0,04 мм напыляют металлические обкладки 2, которые соединяются в общий контакт полосками фольги 3. Собранный пакет опрессовывается обжимами 4, к которым присоединяются гибкие выводы 5, и покрывается влагозащитной эмалью. Количество пластин в пакете достигает 100.

Емкость такого конденсатора зависит от числа пластин в пакете [пФ]

Рис.2.2. Конструкция слюдяного конденсатора.

Трубчатая конструкция (рис. 2.3.) характерна для высокочастотных трубчатых конденсаторов и представляет собой керамическую трубку 1 с толщиной стенок около 0,25 мм, на внутреннюю и внешнюю поверхность которой нанесены серебряные обкладки 2 и 3. Для присоединения гибких проволочных выводов 4 внутреннюю обкладку выводят на внешнюю поверхность трубки и создают между ней и внешней обкладкой изолирующий поясок 5. Снаружи на трубку наносят защитную пленку из изолирующего материала. резистор провод конденсатор адсорбция

Рис. 2.3. Трубчатая конструкция конденсатора.

Емкость такого конденсатора:

,

где - длина перекрывающейся части обкладок, см; и - наружный и внутренний диаметры трубки.

Дисковая конструкция (рис. 2.4) характерна для высокочастотных керамических конденсаторов: На керамический диск 1 с двух сторон наносят серебряные обкладки 2 и 3, к которым присоединяют гибкие выводы 4. Емкость такого конденсатора определяется площадью обкладок и рассчитывается по формуле (2.1).

Литая конструкция (рис. 2.5) характерна для монолитных многослойных керамических конденсаторов, получивших в последние годы широкое распространение, в том числе в ИМС.

Такие конденсаторы изготовляют путем литья горячей керамики, в результате которого получают керамическую заготовку 1 с толщиной стенок около 100 мкм и прорезями (пазами) 2 между ними, толщина которых составляет порядка 130 - 150 мкм. Затем эту заготовку окунают в серебряную пасту, которая заполняет пазы, после чего осуществляют вжигание серебра в керамику. В результате образуются две группы

Рис.2.4. Дисковая конструкция конденсатора.

Рис.2.5. Литая конструкция конденсатора.

серебряных пластин, расположенных в пазах керамической заготовки, к которым припаивают гибкие выводы. Снаружи всю структуру покрывают защитной пленкой. В конденсаторах, предназначенных для установки в гибридных ИМС, гибкие выводы отсутствуют, они содержат торцевые контактные поверхности, которые присоединяются к контактным площадкам ГИС.

Рулонная конструкция (рис. 2.6.) характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов, обладающих большой емкостью. Бумажный конденсатор образуется путем свертывания в рулон бумажной ленты 1 толщиной около 5 - 6 мкм и ленты из металлической фольги 2 толщиной около 10 - 20 мкм. В металлобумажных конденсаторах вместо фольги применяют тонкую металлическую пленку толщиной менее 1 мкм, нанесенную на бумажную ленту.

Рис.2.6. Рулонная конструкция конденсатора.

Рулон из чередующихся слоев металла и бумаги не обладает механической жесткостью и прочностью, поэтому его размещают в металлическом корпусе, являющемся механической основой конструкции.

Емкость таких конденсаторов:

где - ширина ленты; - длина ленты; - толщина бумаги.

Емкость бумажных конденсаторов достигает 10 мкФ, а металлобумажных - 30 мкФ.

Конденсаторы гибридных ИМС представляют собой трехслойную структуру: на диэлектрическую подложку наносят металлическую пленку, затем диэлектрическую пленку и снова металлическую пленку. В качестве конденсаторов полупроводниковых ИМС используют один из электронно - дырочных переходов транзистора или МДП - структуру, в которой роль нижней обкладки конденсатора выполняет полупроводниковая подложка (П), роль диэлектрика (Д) - слой оксида кремния SiO2 и роль верхней обкладки конденсатора - металлическая пленка (М).

Подстроечные (полупеременные) конденсаторы. Особенностью этих конденсаторов является то, что их емкость изменяется в процессе регулировки РЭА, а в процессе эксплуатации их емкость должна сохраняться постоянной и не изменяться под воздействием вибрации и ударов. Они могут быть с воздушным или твердым диэлектриком. На рис. 2.7 показано устройство подстроечного конденсатора с твердым диэлектриком типа КПК (конденсатор подстроечный керамический). Такой конденсатор состоит из основания 2 (статора) и вращающего диска 1 (ротора). На основание и диск напылены серебряные пленки полукруглой формы. При вращении ротора изменяется площадь перекрытия пленок, а, следовательно, емкость конденсатора. Как правило, минимальная емкость (когда пленки не перекрыты) составляет несколько пикофарад, а при полном перекрытии пленок емкость конденсатора будет максимальной -- несколько десятков пикофарад. От ротора и статора сделаны внешние выводы 3 и 4. Плотное прилегание ротора к статору обеспечивается прижимной пружиной 5.

На рис. 2.8 показано устройство подстроечного конденсатора с воздушным диэлектриком. На керамическом основании 1 установлены колонки 2 для крепления пластин статора 3. Пластины ротора 4 закреплены на оси ротора 5. Посредством пружины - токосъема 6 ротор подключается к соответствующим точкам принципиальной схемы. Крепление конденсатора осуществляется с помощью колонок 7, имеющих внутреннюю резьбу.

Конденсаторы переменной емкости. Емкость этих конденсаторов может плавно изменяться в процессе эксплуатации РЭА, например, для настройки колебательных контуров. Так же как и подстроечный конденсатор, конденсатор переменной емкости состоит из статора и ротора, но, в отличие от подстроечного, количество роторных и статорных пластин велико, что необходимо для получения максимальной емкости порядка 500 пФ. Как правило, эти конденсаторы имеют воздушный диэлектрик. На рис. 2.9 показано устройство трехсекционного конденсатора переменной емкости. Каждая

Рис.2.7. Устройство подстроечного конденсатора с твердым диэлектриком.

секция служит для настройки своего колебательного контура. Такие конденсаторы применяют в радиоприемной аппаратуре. Конструктивной основой является корпус 4, содержащий валики крепления 7 и планку крепления 9, в котором размещены статорная и роторная секции.



Рис.2.8. Устройство подстроечного конденсатора с воздушным диэлектриком.

Статорная секция 5 изолирована от корпуса, а роторная секция 1 состоит из неразрезных (внутренних) пластин 11 и разрезных (внешних) пластин 10. Отгибая или подгибая часть сектора внешней пластины, можно изменять емкость в небольших пределах, что бывает необходимо в процессе заводской настройки аппаратуры. Роторные пластины закреплены на оси 2. Плавность вращения оси обеспечивается шариковым подшипником 3 и подпятником 8. На корпусе конденсатора около каждой роторной секции установлены специальные пружины-токосъемы 6, которые плотно прижимаются к ротору. Посредством токосъемов производится подключение роторных секций к соответствующим точкам схемы аппаратуры.

Основными параметрами конденсатора являются емкость и рабочее напряжение. Кроме того, свойства конденсаторов характеризуют рядом паразитных параметров.



Рис.2.9. Устройство конденсатора переменной емкости.

2.3 Параметры конденсаторов

Номинальная емкость и допустимое отклонение от номинала . Существует номинальное , и фактическое значения емкости. Номинальная емкость указывается на его маркировке в сопроводительной документации; фактическая - это значение емкости, измеренное при данной температуре и определенной частоте.

Допустимое отклонение емкости обычно задается в процентах

.

Номинальные значения емкости высокочастотных конденсаторов так же, как и номинальные значения сопротивлений, стандартизованы и определяются рядами Е6, Е12, Е24 и т. д. (см. табл. 4). Номинальные значения емкости электролитических конденсаторов определяются рядом: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 300; 500; 1000; 2000; 5000 мкФ.

Номинальные значения емкости бумажных пленочных конденсаторов определяются рядом: 0,5; 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 20; 20; 40; 60; 80; 100; 200; 400; 600; 800; 1000 мкФ.

По отклонению от номинала конденсаторы разделяют на классы (табл. 8).

Таблица 8 Классы точности конденсаторов

Класс

0,01

0,02

0,05

00

0

I

II

III

IV

V

VI

Допуск, %

Конденсаторы I, II и III классов точности являются конденсаторами широкого применения и соответствуют рядам Е24, Е12 и Е6.

В зависимости от назначения в РЭА применяют конденсаторы различных классов точности. Блокировочные и разделительные конденсаторы обычно выбирают по II и III классам точности, контурные конденсаторы обычно имеют 1, 0 или 00 классы точности, а фильтровые - IV, V и VI классы точности.

Электрическая прочность конденсаторов характеризуется значением напряжения пробоя и зависит в основном от изоляционных свойств диэлектрика. Все конденсаторы в процессе изготовления подвергают воздействию испытательного напряжения в течение 2 - 5 с. В технической документации указывают номинальное напряжение, то есть такое максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать длительное время при соблюдении условий, указанных в технической документации. Для повышения надежности РЭА конденсаторы используют при напряжении, которое меньше номинального.

Стабильность емкости определяется ее изменением под воздействием внешних факторов. Наибольшее влияние на емкость оказывает температура. Ее влияние оценивают температурным коэффициентом емкости (ТКЕ):

Изменения значения емкости в зависимости от температуры характеризуются температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), который иногда обозначают :

.

Этот коэффициент показывает изменение емкости при изменении на 1К температуры окружающей среды. В зависимости от материала диэлектрика ТКЕ может быть положительным, нулевым или отрицательным. Его значение, определенное на конкретной частоте, указывается в маркировке конденсатора с помощью букв и цифр или цветного кода. По допускаемому отклонению ТКЕ от нормированного значения конденсаторы подразделяются на два класса: А и Б. У класса А отклонение в 2,0...2,5 раза меньше, чем у класса Б. При необходимости получить определенное значение ТКЕ применяют последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов с разными номиналами и разными ТКЕ. При параллельном соединении конденсаторов ТКЕ полученной результирующей емкости С находят из уравнения

При последовательном соединении - из уравнения

Подбирая номиналы и ТКЕ, а также, комбинируя последовательное и параллельное соединения, можно обеспечить нулевой ТКЕ, что применяется при создании измерительных конденсаторов.

Упрощенные эквивалентные схемы конденсаторов содержат емкость, сопротивление и индуктивность.

Из этого следует, что на частотах, больших резонансной, конденсатор становится индуктивностью. Поэтому в электронных цепях конденсаторы стремятся использовать в той полосе частот, в которой индуктивность не оказывает существенного влияния. Так, у воздушных конденсаторов максимальная частота порядка 2,5...3,6 МГц, слюдяных - 150...200 МГц; бумажных - 50...80 МГц; керамических дисковых - 200...2000 МГц; керамических трубчатых - 5...200 МГц.

Изменение емкости обусловлено изменением линейных размеров обкладок конденсатора и диэлектрика, но в основном изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика.

У высокочастотных конденсаторов величина ТКЕ не зависит от температуры и указывается на корпусе конденсатора путем окраски корпуса в определенный цвет и нанесения цветной метки.

У низкочастотных конденсаторов температурная зависимость емкости носит нелинейный характер. Температурную стабильность этих конденсаторов оценивают величиной предельного отклонения емкости при крайних значениях температуры. Низкочастотные конденсаторы разделены на три группы по величине температурной нестабильности: Н20 - ; Н30 - ; Н90 - .

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом старения

.

Потери энергии в конденсаторах обусловлены электропроводностью и поляризацией диэлектрика. Их характеризуют тангенсом угла диэлектрических потерь . Конденсаторы с керамическим диэлектриком имеют , конденсаторы со слюдяным диэлектриком - ; с бумажным - 0,01 - 0,02, с оксидным - 0,1 - 1,0.

Тангенс угла потерь характеризует электромагнитные потери в конденсаторе и определяется как отношение его активной к реактивной мощности.

Значения зависят от вида диэлектрика и могут меняться с частотой и с течением времени, а также зависеть от температуры и напряженности электрического поля.

При воздействии на конденсатор напряжения в нем возникают электрические и акустические шумы. Электрические шумы вызваны частичными разрядами, мерцаниями емкости и пьезоэлектрическими эффектами (в керамических конденсаторах). Акустические шумы конденсатора обусловлены вибрацией обкладок под действием кулоновских и электродинамических сил.

Частичные разряды - местные разряды внутри изоляции и на поверхности, не вызывающие полного пробоя межэлектродного промежутка. Они имеют вид или коронных разрядов, или частичных пробоев отдельных элементов изоляции, которые могут самовосстанавливаться.

Мерцание емкости - скачкообразное изменение емкости, имеющее случайный характер. Оно обусловлено тем, что у ряда конденсаторов края обкладок состоят из отдельных островков. При приложении внешнего напряжения между ними и сплошной частью обкладки возникают микродуги, соединяющие их вместе и меняющие емкость. Спектр этих шумов широкий. Изменения емкости могут достигать номинального значения. Этот вид шумов характерен для стеклянных, стеклокерамических и слюдяных конденсаторов.

Пьезоэлектрические шумы возникают, как правило, в результате механических воздействий и имеют характер импульсов.

При создании точных устройств с заряжаемыми и разряжаемыми конденсаторами необходимо учитывать явление адсорбции (замедленной поляризации и деполяризации). Сущность его заключается в том, что конденсатор не удается полностью зарядить или разрядить за малый промежуток времени из-за медленных перемещений зарядов в толще диэлектрика. Так, если обкладки заряженного конденсатора замкнуть накоротко на небольшой промежуток времени, а потом разомкнуть, то через некоторый промежуток времени на обкладках появится остаточное напряжение и, соответственно, остаточный заряд. Отношение напряжения , появившегося через промежуток времени 1 с после размыкания, к напряжению до которого заряжен конденсатор, после замыкания накоротко в течение времени называется коэффициентом адсорбции, который выражают в процентах:

2.4 Система обозначений и маркировка конденсаторов

В настоящее время принята система обозначений конденсаторов постоянной емкости, состоящая из ряда элементов: на первом месте стоит буква К, на втором месте - двузначное число, первая цифра которого характеризует тип диэлектрика, а вторая - особенности диэлектрика или эксплуатации (табл. 9), затем через дефис ставится порядковый номер разработки.

Например, обозначение К10 - 17 означает керамический низковольтный конденсатор с порядковым номером разработки 17. Кроме того, применяют обозначения, указывающие на конструктивные особенности: КСО - конденсатор слюдяной опрессованный, КЛГ - конденсатор литой герметизированный, КТ - керамический трубчатый и т. д.

Таблица 9 Система обозначений конденсаторов

Обозначение	Тип конденсатора
К10	Керамический низковольтный
К15	Керамический высоковольтный
К20	Кварцевый
К21	Стеклянный
К22	Стеклокерамический
К23	Стеклоэмалевый
К31	Слюдяной малой мощности
К32	Слюдяной большой мощности
К40	Бумажный низковольтный с фольговыми обкладками
К41	Бумажный низковольтный с фольговыми обкладками
К42	Бумажный с металлизированными обкладками
К50	Электролитический фольговый алюминиевый
К51	Электролитический фольговый танталовый, ниобиевый и др.
К52	Электролитический объемно - пористый
К53	Оксидно - полупроводниковый
К54	Оксидно - металлический
К60	С воздушным диэлектриком
К61	Вакуумный
К71	Пленочный полистирольный
К72	Пленочный фторопластовый
К73	Пленочный полиэтилентерефталатный
К75	Пленочный комбинированный
К76	Лакопленочный
К77	Пленочный поликарбонатный

Подстроечные конденсаторы обозначают буквами КТ, переменные - буквами КП. Затем следует цифра, указывающая тип диэлектрика: 1 - вакуумные; 2 - воздушные; 3 - газонаполненные; 4 - твердый диэлектрик; 5 - жидкий диэлектрик. В конструкторской документации помимо типа конденсатора указывают емкость, рабочее напряжение и ряд других параметров.

Например, обозначение КП - 2 означает конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком, а обозначение КТ4 - подстроечный конденсатор с твердым диэлектриком.

На принципиальных схемах конденсаторы обозначают в виде двух параллельных черточек и дополнительных элементов. На рис. 2.10, а показан конденсатор постоянной емкости, на рис. 2.10, б - полярный (электролитический) конденсатор, на рис. 2.10, в - конденсатор переменной емкости, на рис. 2.10, г - подстроечный конденсатор, на рис. 2.10, д - варикап, на рис. 2.10, е - вариконд.

Рис.2.10. Обозначения конденсаторов на принципиальных схемах.

На принципиальных схемах около конденсатора ставится буква С с порядковым номером конденсатора, например С26, и указывается величина емкости. Около подстроечных и переменных конденсаторов указывают минимальную и максимальную емкости. Например, обозначения 5...25 означают, что емкость изменяется от 5 до 25 пФ.

На корпусе конденсатора указывают его основные параметры. В малогабаритных конденсаторах применяют сокращенную буквенно - кодовую маркировку. При емкости конденсатора менее 100 пФ ставят букву П. Например, 33 П означает, что емкость конденсатора составляет 33 пФ. Если емкость лежит в пределах от 100 пФ до 0,1 мкФ, то ставят букву Н (нанофарада). Например, 10Н означает емкость в 10 нФ или 10 000 пФ. При емкости более 0,1 мкФ ставят букву М, например, 10М означает емкость в 10 мкФ. Слитно с обозначением емкости указывают буквенный индекс, характеризующий класс точности. Для ряда Е6 с точностью ставят индекс В, для ряда Е12 - индекс С, а для ряда Е24 - индекс И. Например, маркировка 1Н5С означает конденсатор емкостью 1,5 нФ (1500 пФ), имеющий отклонение от номинала .

2.5 Основные разновидности конденсаторов

В РЭА применяют большое количество различных типов конденсаторов постоянной емкости. Рассмотрим их основные особенности.

Керамические конденсаторы. Эти конденсаторы широко применяют в высокочастотных цепях. Основой конструкции керамического конденсатора является заготовка из керамики, на две стороны которой нанесены металлические обкладки. Конструкция может быть секционированной, трубчатой или дисковой. Эти конденсаторы нетрудоемки в изготовлении и дешевы. Для изготовления конденсаторов применяют керамику с различными значениями диэлектрической проницаемости () и температурного коэффициента, который может быть как положительным, так и отрицательным. Численные значения ТКЕ лежат в пределах от до . Применяя параллельное включение конденсаторов с разными знаками ТКЕ, можно получить достаточно высокую стабильность результирующей емкости.

Промышленность продолжает выпускать несколько разновидностей ранее разработанных керамических конденсаторов:

· КЛГ - керамические литые герметизированные;

· КЛС - керамические литые секционированные;

· КМ - керамические малогабаритные пакетные;

· КТ - керамические трубчатые;

· КТП - керамические трубчатые проходные;

· КО - керамические опорные;

· КДУ - керамические дисковые;

· КДО - керамические дисковые опорные.

Новые разработки керамических конденсаторов обозначают К10, они предназначены для использования в качестве компонентов микросхем и микросборок. Конденсаторы типа К15 могут работать при напряжениях более 1600 В.

Стеклянные, стеклокерамические и стеклоэмалевые конденсаторы. Эти конденсаторы, как и керамические, относят к категории высокочастотных. Они состоят из тонких слоев диэлектрика, на которые нанесены тонкие металлические пленки. Для придания конструкции монолитности такой набор спекают при высокой температуре. Эти конденсаторы обладают высокой теплостойкостью и могут работать при температуре до 300 0С. Существуют три разновидности таких конденсаторов:

· К21 - стеклянные;

· К22 - стеклокерамические;

· К23 - стеклоэмалевые.

Стеклокерамика имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, чем стекло. Стеклоэмаль обладает более высокой электрической прочностью.

Слюдяные конденсаторы. Эти конденсаторы имеют пакетную конструкцию, в которой в качестве диэлектрика используют слюдяные пластинки толщиной от 0,02 до 0,06 мм, диэлектрическая проницаемость которых , а тангенс угла потерь . В соответствии с принятой в настоящее время маркировкой их обозначают К31. В РЭА применяют также ранее разработанные конденсаторы КСО - конденсаторы слюдяные опрессованные. Емкость этих конденсаторов лежит в пределах от 51 пФ до 0,01 мкФ. Слюдяные конденсаторы применяют в высокочастотных цепях.

Бумажные конденсаторы. В этих конденсаторах в качестве диэлектрика применяют конденсаторную бумагу толщиной от 6 до 10 мкм с невысокой диэлектрической проницаемостью (), поэтому габариты этих конденсаторов большие. Обычно бумажные конденсаторы изготавливают из двух длинных, свернутых в рулон лент фольги, изолированных конденсаторной бумагой, то есть конденсаторы имеют рулонную конструкцию. Из-за больших диэлектрических потерь и большого значения собственной индуктивности эти конденсаторы нельзя применять на высоких частотах. В соответствии с принятой маркировкой эти конденсаторы обозначают К40 или К4 1.

Разновидностью бумажных конденсаторов являются металлобумажные (типа К42), у которых в качестве обкладок вместо фольги используют тонкую металлическую пленку, нанесенную на конденсаторную бумагу, благодаря чему уменьшаются габариты конденсатора.

Электролитические конденсаторы. В этих конденсаторах в качестве диэлектрика используют тонкую оксидную пленку, нанесенную на поверхность металлического электрода, называемого анодом. Второй обкладкой конденсатора является электролит. В качестве электролита используют концентрированные растворы кислот и щелочей. По конструктивным признакам эти конденсаторы делят на четыре

типа: жидкостные, сухие, оксидно - полупроводниковые и оксидно - металлические.

В жидкостных конденсаторах анод, выполненный в виде стержня, на поверхности которого создана оксидная пленка, погружен в жидкий электролит, находящийся в алюминиевом цилиндре. Для увеличения емкости анод делают объемно - пористым путем прессования порошка металла и спекания его при высокой температуре. В сухих конденсаторах применяют вязкий электролит. В этом случае конденсатор изготавливают из двух лент фольги (оксидированной и неоксидированной), между которыми размещается прокладка из бумаги или ткани, пропитанной электролитом. Фольга сворачивается в рулон и помещается в кожух. Выводы делают от оксидированной (анод) и неоксидированной (катод) фольги.

В оксидно - полупроводниковых конденсаторах в качестве катода используют диоксид марганца. В оксидно - металлических конденсаторах функции катода выполняет металлическая пленка оксидного слоя.

Особенностью электролитических конденсаторов является их униполярность, то есть они могут работать при подведении к аноду положительного потенциала, а к катоду - отрицательного. Поэтому их применяют в цепях пульсирующего напряжения, полярность которого не изменяется, например, в фильтрах питания.

Электролитические конденсаторы обладают очень большой емкостью (до тысячи микрофарад) при сравнительно небольших габаритах. Но они не могут работать в высокочастотных цепях, так как из-за большого сопротивления электролита достигает значения 1,0.

Поскольку при низких температурах электролит замерзает, то в качестве параметра электролитических конденсаторов указывают минимальную температуру, при которой допустима работа конденсатора. По допустимому значению отрицательной температуры электролитические конденсаторы делят на четыре группы:

· Н (неморозостойкие, );

· М (морозостойкие, );

· ПМ (с повышенной морозостойкостью, );

· ОМ (особо морозостойкие, ).

При понижении температуры емкость конденсатора уменьшается, а при повышении температуры - возрастает.

Пленочные конденсаторы. В этих конденсаторах в качестве диэлектрика используют синтетические высокомолекулярные тонкие пленки. Современная технология позволяет получить пленки, наименьшая толщина которых составляет 2 мкм, механическая прочность 1000 кг/см, а электрическая прочность достигает 300 кВ/мм. Такие свойства пленок позволяют создавать конденсаторы очень малых габаритов. Конструктивно они аналогичны бумажным конденсаторам и относятся к 7-й группе.

Конденсаторы типа К71 в качестве диэлектрика имеют полистирол. В конденсаторах типа К72 применен фторопласт, в конденсаторах К73 - полиэтилентерефталат. В конденсаторах К75 применено комбинированное сочетание полярных и неполярных пленок, что повышает их температурную стабильность. В конденсаторах К76 в качестве диэлектрика применена тонкая лаковая пленка толщиной около 3 мкм, что существенно повышает их удельную емкость. Высокими значениями удельной емкости и температурной стабильности обладают конденсаторы К77, в которых в качестве диэлектрика применен поликарбонат.

В качестве обкладок в пленочных конденсаторах используют либо алюминиевую фольгу, либо напыленные на диэлектрическую пленку тонкие слои алюминия или цинка. Корпус таких конденсаторов может быть как металлическим, так и пластмассовым и иметь цилиндрическую или прямоугольную форму.

Переменные и подстроечные конденсаторы выполняются с механически или электрически изменяемой емкостью.

В конденсаторах с механически изменяемой емкостью одна группа пластин или пластина перемещается относительно других пластин или пластины, составляющих обкладки конденсатора. При этом может меняться или взаимное перекрытие пластин, или расстояние между ними. На практике в основном используют изменение взаимного перекрытия пластин. При этом легко получить линейное или функциональное изменение емкости - в зависимости от перемещения подвижной части. Чаще всего применяют вращательное движение и одну обкладку конденсатора выполняют в виде ротора, а другую - статора. Известны также конструкции с линейно перемещающимися пластинами обкладок.

Промышленность выпускает переменные и подстроечные конденсаторы с воздушным, твердыми неорганическими (керамическими, слюдяными) и органическими (полистироловыми, полиэтиленовыми и т. д.) диэлектриками. При введении диэлектриков в зазор между подвижными и неподвижными обкладками конденсатора существенно увеличивается емкость и снижаются габаритные размеры. Однако при этом не удается избежать воздушных зазоров, значения которых не остаются стабильными. Поэтому при каждой новой установке ротора в одно и то же положение значения емкости несколько отличаются от предыдущих. Конденсаторы с твердым диэлектриком чаще всего используют в качестве подстроечных. Воздушные конденсаторы обычно применяют в тех цепях, в которых требуется хорошая повторяемость значений емкости.

Переменные и подстроечные конденсаторы различаются в основном конструктивным выполнением. Переменные конденсаторы имеют ручку, с помощью которой вращается подвижная часть. Их конструкция рассчитана на долговременную работу в режиме вращения ротора. У подстроечных конденсаторов подвижная часть, как правило, имеет шлиц для ее вращения отверткой и конструкция подвижной части упрощена. Она не рассчитана на долговременную работу в режиме вращения.

Максимальные значения емкости, которые можно получить у переменных конденсаторов, как правило, не превышают значений 600... 5000 пФ, при этом воздушные зазоры между подвижными и неподвижными пластинами порядка 0,1.. .0,25 мм.

Закон изменения емкости зависит от геометрической формы пластин.

Для переменных и подстроечных конденсаторов важны максимальная и минимальная емкости, коэффициент перекрытия по емкости , ТКЕ, и закон изменения емкости.

Конденсаторы с неорганическим диэлектриком можно разделить на три группы: низковольтные, высоковольтные и помехоподавляющие. В качестве диэлектрика в них используется керамика, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамика и слюда. Обкладки выполняются в виде тонкого слоя металла, нанесенного на диэлектрик путем непосредственной его металлизации, или в виде тонкой фольги.

Группа низковольтных конденсаторов включает в себя низкочастотные и высокочастотные конденсаторы. По назначению они подразделяются на три типа:

тип 1 - конденсаторы, предназначенные для использования в резонансных контурах или других цепях, где малые потери и высокая стабильность емкости имеют существенное значение;

тип 2 - конденсаторы, предназначенные для использования в цепях фильтров, блокировки и развязки или других цепях, где малые потери и высокая стабильность емкости не имеют существенного значения;

тип 3 - керамические конденсаторы с барьерным слоем, предназначенные для работы в тех же цепях, что и конденсаторы типа 2, но имеющие несколько меньшее значение сопротивления изоляции и большее значение тангенса угла диэлектрических потерь, что ограничивает область применения низкими частотами.

Обычно конденсаторы типа 1 считаются высокочастотными, а типов 2 и 3 - низкочастотными. Определенной границы по частоте между конденсаторами типов 1 и 2 не существует. Высокочастотные конденсаторы работают в цепях с частотой до сотен мегагерц, а некоторые типы используют в гигагерцевом диапазоне.

Слюдяные и стеклоэмалевые (стеклянные) конденсаторы относятся к конденсаторам типа 1, стеклокерамические могут быть как типа 1, так и типа 2, керамические - трех типов.

Высоковольтные конденсаторы большой и малой реактивной мощности делаются в основном с диэлектриком из керамики и слюды. По назначению они могут быть типов 1 и 2 и так же, как низковольтные конденсаторы, они разделяются на высокочастотные и низкочастотные.

Основным параметром для высоковольтных низкочастотных конденсаторов является удельная энергия, поэтому керамику для них подбирают с большой диэлектрической проницаемостью. Для высокочастотных конденсаторов основным параметром является допустимая реактивная мощность. Она характеризует нагрузочную способность конденсатора при наличии больших напряжений высокой частоты. Для увеличения реактивной мощности выбирают керамику с малыми потерями, а конструкцию и выводы конденсаторов рассчитывают на возможность прохождения больших токов.

Высоковольтные слюдяные конденсаторы делают фольговыми, так как они предназначены для работы при повышенных токовых нагрузках.

Помехоподавляющие конденсаторы с неорганическим керамическим диэлектриком разделяются на опорные и проходные. Их основное назначение - подавление индустриальных и высокочастотных помех, создаваемых промышленными и бытовыми приборами, выпрямительными устройствами и др., а также помех атмосферных и помех, излучаемых различными радиоэлектронными устройствами, т. е. по существу они являются фильтрами нижних частот. К этой группе, исходя из функционального назначения и конструктивного исполнения, условно можно отнести керамические фильтры.

Опорные конденсаторы - это конденсаторы, одним из выводов которых является опорная металлическая пластина с резьбовым креплением.

Проходные конденсаторы делают коаксиальными - один из выводов, которых представляет собой токонесущий стержень, по которому протекает полный ток внешней цепи, и некоаксиальными - через выводы которых протекает полный ток внешней цепи.

Проходные керамические конденсаторы имеют конструкцию трубчатого или дискового типа в виде многослойных монолитных шайб.

Если в конденсаторах с целью повышения резонансной частоты принимаются меры к уменьшению собственной индуктивности, то в фильтрах, наоборот, к емкости добавляют внешнюю индуктивность (ферритовый сердечник) либо используют индуктивность выводов. При этом в зависимости от соединения емкости и индуктивности возможны следующие схемы включения: Г - образные, Т - образные и П - образные.

Органические диэлектрики, используемые в конденсаторах, - это конденсаторная бумага, различные пленки и их комбинации. Конденсаторы изготовляют намоткой тонких лент диэлектриков. Деление конденсаторов с органической изоляцией на низковольтные (до 1600 В) и высоковольтные (свыше 1600 В) несколько условно. По назначению конденсаторы можно разделить на низкочастотные и высокочастотные.

К низкочастотным относятся конденсаторы на основе полярных и слабополярных органических пленок (бумажные, металлобумажные, полиэтилентерефталатные, комбинированные, лакопленочные, поликарбонатные и полипропиленовые), тангенс угла диэлектрических потерь которых имеет резко выраженную зависимость от частоты. Они способны работать на частотах до Гц при существенном снижении амплитуды переменной составляющей напряжения с увеличением частоты.

К высокочастотным относятся конденсаторы на основе неполярных органических пленок (полистирольные, фторопластовые), имеющие малое значение тангенса угла потерь, не зависящее от частоты. Они допускают работу на частотах до Гц. Верхний предел по частоте зависит от конструкции обкладок и контактного узла и от емкости. К этой группе относят и некоторые типы конденсаторов на основе слабополярной полипропиленовой пленки.

Высоковольтные конденсаторы можно разделить на высоковольтные постоянного напряжения и высоковольтные импульсные. В качестве диэлектрика высоковольтных конденсаторов постоянного напряжения используют: бумагу, полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт), полиэтилентерефталат (лавсан) и сочетание бумаги и синтетических пленок (комбинированные). Высоковольтные импульсные конденсаторы в большинстве случаев делают на основе бумажного и комбинированного диэлектриков.

Основное требование, предъявляемое к высоковольтным конденсаторам, - высокая электрическая прочность. Поэтому часто прибегают к использованию комбинированного диэлектрика, состоящего из бумаги, пленки и слоя жидкого диэлектрика. Комбинированные конденсаторы обладают повышенной по сравнению с бумажными электрической прочностью.

Высоковольтные импульсные конденсаторы наряду с высокой электрической прочностью и сравнительно большими емкостями должны допускать быстрые разряды, т. е. пропускать большие токи. Следовательно, их собственная индуктивность должна быть малой, чтобы не искажать формы импульсов. Этим требованиям лучше удовлетворяют конденсаторы бумажные, металлобумажные и комбинированные.

Дозиметрические конденсаторы работают в цепях с низким уровнем токовых нагрузок. Поэтому они должны обладать очень малым саморазрядом, большим сопротивлением изоляции, а следовательно, и большой постоянной времени Лучше всего для этой цели подходят фторопластовые конденсаторы.

Помехоподавляющие конденсаторы предназначены для ослабления электромагнитных помех в широком диапазоне частот. Они имеют малую собственную индуктивность, в результате чего повышается резонансная частота и полоса подавляемых частот. Помехоподавляющие конденсаторы делают бумажные, комбинированные и пленочные (в основном лавсановые).

Конденсаторы с оксидным диэлектриком (старое название электролитические). Они разделяются на конденсаторы: общего назначения, неполярные, высокочастотные, импульсные, пусковые и помехоподавляющие. В качестве диэлектрика в них используется оксидный слой, образуемый электрохимическим путем на аноде - металлической обкладке из некоторых металлов

В зависимости от материала анода оксидные конденсаторы подразделяют на алюминиевые, танталовые и ниобиевые.

Второй обкладкой конденсатора катодом - служит электролит, пропитывающий бумажную или тканевую прокладку в оксидно - электролитических (жидкостных) алюминиевых и танталовых конденсаторах, жидкий или гелеобразный электролит в танталовых объемно - пористых конденсаторах и полупроводник (двуокись марганца) в оксидно-полупроводниковых конденсаторах.

Конденсаторы с оксидным диэлектриком - низковольтные, с относительно большими потерями, но в отличие от других типов низковольтных конденсаторов имеют несравнимо большие заряды и большие емкости (от единиц до сотен тысяч микрофарад). Они используются в фильтрах источников электропитания, цепях развязки, шунтирующих и переходных цепях полупроводниковых устройств на низких частотах и т. п.

Конденсаторы группы общего назначения имеют униполярную (одностороннюю) проводимость, вследствие чего их эксплуатация возможна только при положительном потенциале на аноде. Тем не менее, это наиболее распространенные оксидные конденсаторы. Они могут быть жидкостными, объемно - пористыми и оксидно - полупроводниковыми.

Неполярные конденсаторы с оксидным диэлектриком могут включаться в цепь постоянного и пульсирующего тока без учета полярности, а также допускать смену полярности в процессе эксплуатации.