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 (е > 8) и температурного коэффициента, который может быть как положительным, так и отрицательным. Численные значения ТКЕ лежат в пределах от - 2200-Ю⁶ до +100-10~⁶1/°С. 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°С. 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 е ? 6, а тангенс угла потерь tgд = 10 - ⁴. 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 (е = 2.3), 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 К41.

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 tg 5 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, Т_тт = - 10°С);

М (морозостойкие, T_min = - 40°С);

ПМ (с повышенной морозостойкостью, T_min = - 50°С);

ОМ (особо морозостойкие, T_min = - 60°С).

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.

Вариконды. Это конденсаторы, емкость которых зависит от напряженности электрического поля. Они выполняются на основе сегнетоэлектриков (титаната бария, стронция, кальция и т.д.). Для них характерны высокие значения относительной диэлектрической проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности электрического поля и температуры. Применяют вариконды как элементы настройки колебательных контуров. Если вариконд включить в цепь резонансного 1С-контура и изменять постоянное напряжение, подводимое к нему от источника, имеющего высокое внутреннее сопротивление (оно необходимо для того, чтобы источник не ухудшал добротность колебательного контура), то можно изменять резонансную частоту этого контура.

Варикапы. Это одна из разновидностей полупроводникового диода, к которому подводится обратное напряжение, изменяющее емкость диода. Благодаря малым размерам, высокой добротности, стабильности и значительному изменению емкости варикапы нашли широкое применение в РЭА для настройки контуров и фильтров.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. Их применяют для создания фильтров, элементов задержки сигналов, запоминающих элементов, осуществления связи между цепями через магнитный поток и т.д. В отличие от резисторов и конденсаторов, они не являются стандартизованными изделиями, а изготавливаются для конкретных целей и имеют такие параметры, которые необходимы для осуществления тех или иных преобразований электрических сигналов, токов и напряжений.

Физическая природа индуктивности

Функционирование катушек индуктивности основано на взаимодействии тока и магнитного потока. Известно, что при изменении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в магнитном поле, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока:

При подключении к проводнику источника постоянного напряжения ток в нем устанавливается не сразу, так как в момент включения изменяется магнитный поток и в проводе индуцируется ЭДС, препятствующая нарастанию тока, а спустя некоторое время, когда магнитный поток перестает изменяться. Если же к проводнику подключен источник переменного напряжения, то ток и магнитный поток будут изменяться непрерывно, и наводимая в проводнике ЭДС будет препятствовать протеканию переменного тока, что эквивалентно увеличению сопротивления проводника. Чем выше частота изменения напряжения, приложенного к проводнику, тем больше величина ЭДС, наводимая в нем, следовательно, тем больше сопротивление, оказываемое проводником переменному току. Это сопротивление X_L не связано с потерями энергии, поэтому является реактивным. При изменении тока по синусоидальному закону наводимая ЭДС будет равна:

Эта ЭДС пропорциональна частоте со, а коэффициентом пропорциональности является индуктивность L. Следовательно, индуктивность характеризует способность проводника оказывать сопротивление переменному току. Величина этого сопротивления X_L = щl

Индуктивность короткого проводника [мкГн] определяется его размерами:

Где l - длина провода, см, a d - диаметр провода, см.

Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. В этом случае магнитный поток концентрируется и значение индуктивности возрастает.

Конструкции катушек индуктивности

Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывают провод в виде спирали. Обмотка может быть как однослойной (рис.3, а), так и многослойной (рис.3, б). В некоторых случаях многослойная обмотка делается секционированной (рис.3, в). В интегральных схемах применяют плоские спиральные катушки индуктивности рис (3) г.

Рис. 3.

Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность. Перемещением сердечника внутри каркаса можно изменять индуктивность. На рис.4 представлены три разновидности цилиндрических сердечников: С - стержневой, Т - трубчатый и ПР - подстроечный резьбовой - и две разновидности броневых. Броневые сердечники состоят из двух чашек, изготовленных из карбонильного железа или феррита. Они могут иметь либо замкнутый магнитопровод, состоящий из чашек 2 и 3 (тип СБ-а), либо разомкнутый, состоящий из чашек 2 и 4 (тип СБ-б). Для изменения индуктивности служит подстроечный цилиндрический сердечник 1. Помимо цилиндрических и броневых сердечников применяют тороидальные (кольцевые) сердечники. На высоких частотах (десятки-сотни мегагерц) применяют подстроечные цилиндрические сердечники из диамагнетиков (латунь, медь). При введении этих сердечников внутрь катушки индуктивность уменьшается.

рис.4.

В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до 1 кГц), в качестве сердечников используют пермаллои. При этом магнитопровод собирают из тонких пластин толщиной 0,002-0,1 мм.

Рис. 5.

Для уменьшения влияния электромагнитного поля катушки на другие элементы схемы, а также для уменьшения влияния внешних полей на катушку индуктивности ее располагают внутри металлического экрана, как это показано на рис.5 (1 - заглушка, 2 - экран, 3 - корпус, 4 - обмотка, 5 - каркас, 6 - подстроечный стержень, 7 - чашка сердечника, 8 - основание, 9 - заливка).

Индуктивность и собственная емкость катушек индуктивности

Индуктивность является основным параметром катушки индуктивности. Ее значение [мкГн] определяется соотношением:

L = L,W²D КГ³,

где W - число витков; D - диаметр катушки, см;

L₀ - коэффициент, зависящий от отношения длины катушки / к ее диаметру D.

Для однослойных катушек величина L₀ определяется соотношением:

Оптимальными в этом случае являются отношение 1/D = 0,6.1,0, а диаметр катушки в пределах от 1 до 2 см. При расчете диаметр катушки D принимают равным диаметру каркаса D₀.

Для многослойных катушек величина L₀ зависит не только от отношения 1/D, но и от отношения толщины намотки t к диаметру катушки D. В этом случае величину 1₀ определяют по графикам (рис.6), а внешний диаметр катушки принимают равным D = D₀ + It.

Рис. 6.

При расчете катушки индуктивности предварительно задают геометрические размеры катушки и определяют коэффициент L₀, а затем по заданной величине индуктивности L находят число витков:

где L указывается в микрогенри, a D - в сантиметрах.

Для намотки катушки обычно применяют провод оптимального диаметра, позволяющий создать катушку индуктивности с наименьшими потерями. Оптимальный диаметр провода установлен на основе многочисленных экспериментальных разработок. Поэтому расчет катушек индуктивности ведут с помощью эмпирических формул и графиков. По графику 5 = f (t/D; l/D) находят вспомогательный коэффициент S (рис.7).

Рис. 7.

Рис. 8.

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным и равным X_L. Наличие паразитных эффектов ведет к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь R_n, которое определяет добротность катушки индуктивности:

Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.

Потери в проводах вызваны тремя причинами.

Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением:

где l - длина провода обмотки;

d - диаметр провода;

р - удельное сопротивление.

Это сопротивление [Ом] можно выразить через число витков W к средний диаметр катушки D_CP:

Где

d - диаметр провода, см.

Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено поверхностным эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения (рис.2.29), ширина которой равна [мм]:

где f - частота, МГц,

р - удельное сопротивление, мкОм Ч м.

Рис. 11.

Вследствие этого провод длиной l имеет сопротивление переменному току, равное:

где S_эф - площадь кольца, которая равна:

Где:

После преобразования получаем:

В-третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому течет ток, принимает серповидный характер, что ведет к дополнительному возрастанию сопротивления провода (рис.11). Сопротивление r₆, обусловленное эффектом близости, прямо пропорционально диаметру провода, а сопротивление r_п, обусловленное поверхностным эффектом, обратно пропорционально диаметру провода (рис.12).

Рис. 12.

Рис.13.

Существует оптимальный диаметр провода d_опт, при котором сопротивление провода току высокой частоты r_f = r₆ + r_п, оказывается минимальным. Для однослойных катушек d_опт = 0,2.0,6 мм, для многослойных d_опт=0,08.0,2 мм. Существенно уменьшить потери в проводах можно, применяя провод "литцендрат", состоящий из большого числа жилок, скрученных в жгут. При небольшом диаметре тонких жилок ослабляется поверхностный эффект, а скручивание жилок в жгут ослабляет эффект близости.

Расчет сопротивления r_f проводят по эмпирическим формулам. Предварительно рассчитывают вспомогательный коэффициент:

где f - частота, Гц;

d - диаметр провода, см.

Затем по табл.2.7 находят коэффициенты F (z) и G (z).

После этого по графику (рис.2.32) определяют вспомогательный коэффициент К₃, зависящий от геометрии катушки.

Таблица 4. Определение коэффициентов F (z) и G (z)

Рис. 14.

По формуле рассчитывают сопротивление провода катушки току высокой частоты:

где D - наружный диаметр катушки, см; d - диаметр провода, см.

Размещено на Allbest.ru