Изучение резисторов и конденсаторов

Неполярные конденсаторы делают оксидно-электролитические (жидкостные) алюминиевые и танталовые и оксидно-полупроводниковые танталовые.

Высокочастотные конденсаторы (алюминиевые жидкостные и танталовые оксидно - полупроводниковые) широко применяются в источниках вторичного электропитания, в качестве накопительных и фильтрующих элементов в цепях развязок и переходных цепях полупроводниковых устройств в диапазоне частот пульсирующего тока от десятков герц до сотен килогерц. Отсюда следует, что понятие «высокочастотные» для оксидных конденсаторов относительное. По частотным характеристикам их нельзя сравнивать с конденсаторами на неорганической основе.

Для расширения возможностей использования оксидных конденсаторов в более широком диапазоне частот необходимо снижать их полное сопротивление. Это оказалось возможным при появлении совершенно новых конструктивных решений - четырехвыводных конструкций и плоской конструкции типа «книга», позволяющих их эксплуатацию на значительно более высоких частотах.

Импульсные конденсаторы используются в электрических цепях с относительно длительным зарядом и быстрым разрядом, например в устройствах фотовспышек и др. Такие конденсаторы должны быть энергоемкими, иметь малое полное сопротивление и большое рабочее напряжение. Наилучшим образом этому требованию удовлетворяют оксидно - электролитические алюминиевые конденсаторы с напряжением до 500 В.

Пусковые конденсаторы используются в асинхронных двигателях, в которых емкость включается только на момент пуска двигателя. При наличии пусковой емкости вращающееся поле двигателя при пуске приближается к круговому, а магнитный поток увеличивается. Все это способствует повышению пускового момента, улучшает характеристики двигателя.

В связи с тем, что пусковые конденсаторы включаются в сеть переменного тока, они должны быть неполярными и иметь сравнительно большое для оксидных конденсаторов рабочее напряжение переменного тока, несколько превышающее напряжение промышленной сети. На практике используются пусковые конденсаторы емкостью порядка десятков и сотен микрофарад, созданные на основе алюминиевых оксидных пленок с жидким электролитом.

В группу оксидных помехоподавляющих конденсаторов входят только проходные оксидно - полупроводниковые танталовые конденсаторы. Они так же, как и проходные конденсаторы других типов, выполняют роль фильтра нижних частот, но в отличие от них имеют гораздо большие значения емкостей, что дает возможность сдвигать частотную характеристику в область более низких частот.

Конденсаторы с газообразным диэлектриком - по выполняемой функции и характеру изменения емкости эти конденсаторы разделяются на постоянные и переменные. В качестве диэлектрика в них используется воздух, сжатый газ (азот, фреон, элегаз), вакуум. Особенностью газообразных диэлектриков являются малое значение тангенса угла диэлектрических потерь (до 10-5) и высокая стабильность электрических параметров. Поэтому основной областью их применения является высоковольтная и высокочастотная аппаратура.

В радиоэлектронной аппаратуре из конденсаторов с газообразным диэлектриком наибольшее распространение получили вакуумные. По сравнению с воздушными они имеют значительно большие удельные емкости, меньшие потери в широком диапазоне частот, более высокую электрическую прочность и стабильность параметров при изменении окружающей среды. По сравнению с газонаполненными, требующими периодической подкачки газа из-за его утечки, вакуумные конденсаторы имеют более простую и легкую конструкцию, меньшие потери и лучшую температурную стабильность; они более устойчивы к вибрации, допускают более высокое значение реактивной мощности.

Вакуумные конденсаторы переменной емкости обладают малым значением момента вращения, а масса и габариты их значительно ниже по сравнению с воздушными конденсаторами. Коэффициент перекрытия по емкости вакуумных переменных конденсаторов может достигать 100 и более.

Вакуумные конденсаторы применяются в передающих устройствах ДВ -, СВ - и КВ - диапазонов на частотах до 30. .80 МГц в качестве контурных, блокировочных, фильтровых и разделительных конденсаторов, используются также в качестве накопителей в импульсных искусственных линиях формирования и различного рода мощных высоковольтных высокочастотных установках.

2.6 Конденсаторы с нелинейной ВФХ

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.

Ранее указывалось, что ширина p - n - перехода и его емкость зависят от приложенного к нему напряжения.

Варикап - это полупроводниковый диод, который используется в качестве электрически управляемой емкости.

В варикапах используется свойство барьерной емкости обратносмещенного p - n - перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Барьерная емкость p - n - перехода равна емкости плоского конденсатора

где S - площадь p - n - перехода; - ширина области объемных зарядов.

С увеличением величины обратного напряжения на p - n - переходе его барьерная емкость уменьшается. Характер изменения в зависимости от приложенного к p - n - переходу напряжения , показан на рис.2.11. Емкость варикапа меняется в широких пределах и его значение при обратном приложенном напряжении определяют из выражения

где - емкость при ; - значение контактной разности потенциалов, равное

для резких переходов и для плавных переходов.

Рис.2.11. Зависимость емкости варикапа от напряжения смещения.

Варикапы изготовляют на основе германия, кремния, арсенида галлия.

Основные параметры варикапа: номинальная (начальная) емкость добротность , коэффициент перекрытия по емкости и температурный коэффициент емкости (ТКЕ) .

Номинальная емкость варикапа - барьерная емкость p - n - перехода при заданном напряжении смещения и составляет от долей пФ до сотен пФ.

Коэффициент перекрытия по емкости - отношение емкости варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений:

.

ограничивается емкостью при , т. е. . ограничивается обратным допустимым напряжением. Позволяет определить величину изменения емкости в диапазоне рабочих напряжений от до ( по абсолютной величине может достигать 200 В). Характерные значения составляют 2 - 20, причем если плавные и резкие p - n - переходы имеют обычно , то в случае сверхрезких p - n - переходов имеют большие значения.

Добротность - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. измеряют обычно при тех же обратных напряжениях, что и емкость варикапа. Как правило, варикапы работают в диапазоне высоких и сверхвысоких частот (f > 1 МГц), для которых

.

где - последовательное (по отношению к С) сопротивление диода, включающее сопротивление потерь в объеме кристалла полупроводника, сопротивление контакта и элементов конструкции. В настоящее время достигнуты значения > 500 на f = 50 МГц при С = 70 пФ.

Температурный коэффициент емкости - отношение относительного изменения емкости к вызывающему его абсолютному изменению температуры окружающей среды, т. е., другими словами, относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на 1 градус:

.

Для кремниевых варикапов с резким p - n - переходом ТКЕ имеет значение порядка при . С усилением зависимости емкости варикапа от напряжения, а также при понижении ТКЕ возрастает и при может достигать 5- .

В радиоэлектронных устройствах свойство нелинейного изменения емкости варикапа используют для получения параметрического усиления, умножения частоты и т. д., а возможность электрического управления емкостью - для дистанционной и безынерционной перестройки резонансной частоты колебательного контура.

Вариконды. Конденсаторы с диэлектриком из сегнетоэлектрического материала получили название варикондов.

Емкость конденсаторов с такими диэлектриками зависит от напряжения, приложенного к ним.

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 LC - 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.

При практическом применении в основном используется зависимость дифференциальной емкости от значения приложенного напряжения. Изменяя постоянное напряжение на вариконде с помощью источника, имеющего высокое внутреннее сопротивление (необходимо для того, чтобы источник не шунтировал конденсатор и индуктивность по переменной составляющей), можно управлять резонансной частотой контура.

Для нелинейных конденсаторов вводят понятие эффективной емкости - это емкость такого линейного конденсатора, заряд которого при максимальном напряжении равен заряду нелинейного конденсатора при том же напряжении.

Кроме того, иногда используют реверсивную емкость , Реверсивная емкость - это усредненное в пределах амплитуды переменного напряжения, воздействующего на вариконд, значение дифференциальной емкости.

Характеристики вариконда оценивают с помощью коэффициента нелинейности К:

или ,

где - максимальное значение емкости; - значение емкости при напряжении (обычно 5 В); С30 и С5 - емкости вариконда при напряжениях 30 и 5В. Вариконды имеют значения емкостей 100 пФ - 0,2 мкФ (на частоте 50 Гц). Номинальные напряжения варикондов достигают 250...300 В. В их обозначение входят буквы КН, цифры, соответствующие точке Кюри, и порядковый номер изделия, например КН75-5 - вариконд из материала с температурой точки Кюри 75 0С и порядковым номером 5.

Литература

1. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие - СП6.:Питер, 2004. - 522 с.

2. Андреев А.В., Горлов М.И. Основы электроники/Серия «Учебники, учебные пособия». - Ростов н/Д: Феникс, 2003. - 416 с.

3. Журавлева Л. В. Электроматериаловедение: Учебник - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 312 с.

Размещено на Allbest.ru