ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВЕ КОНДЕНСАТОРА

КАЧЕСТВО РАБОТЫ: 80%

Общие сведения об устройстве конденсатора

Электрический конденсатор ­– это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его ёмкости. Конденсатор представляет собой систему из двух электродов (обкладок), разделённых диэлектриком, и обладает способностью накапливать электрическую энергию.

Возьмём две изолированные металлические пластины, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, и зарядим их равными разноимёнными зарядами. Это можно сделать разными способами. Например, можно присоединить пластины к полюсам электрической машины. На одну из пластин при этом перейдёт некоторый отрицательный заряд, т.е. добавится некоторое избыточное число электронов, а на другой появится равный ему положительный заряд, т.е. соответствующее число электронов будет удалено из пластины. Можно поступить иначе: одну из пластин соединить с землёй, а к другой пластине прикоснуться заряженным телом. При этом вследствие индукции на заземлённой пластине также появится заряд, равный по величине, но противоположного знака.

При любом способе зарядки пластинок всё происходит так, как если бы некоторый положительный заряд был перенесён с одной пластины на другую. Система двух разноимённо заряженных проводников и является конденсатором, а величина заряда, который надо перенести с одного про  водника на другой, чтобы зарядить один из них отрицательно, а другой положительно, называется зарядом конденсатора. В частности, плоским конденсатором называется конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин, расстояние между которыми мало по сравнению с размерами пластин.

Разность потенциалов между пластинами конденсатора, конечно, зависит от величины заряда конденсатора. Присоединив к пластинам конденсатора электрометр и увеличивая заряд конденсатора повторной зарядкой, мы найдём, что показания электрометра тем больше, чем больше заряд мы сообщаем конденсатору. Измеряя величину заряда и разность потенциалов, мы убедимся на опыте, что разность потенциалов между пластинами прямо пропорциональна заряду находящемуся на каждой из них. 

Таким образом, ёмкость конденсатора – это электрическая ёмкость между электродами конденсатора, определяемая отношением накапливаемого в нём электрического заряда к приложенному напряжению. Ёмкость конденсатора зависит от материала диэлектрика, формы и взаимного расположения электродов С=q /U,  где С – ёмкость, q – заряд, U – разность потенциалов на обкладках конденсатора.

Простой опыт показывает, что ёмкость конденсатора зависит от формы, размеров и взаимного расположения составляющих его тел; в частности, ёмкость плоского конденсатора зависит от расстояния между его пластинами и от их площади. Зарядим плоский конденсатор, а затем, отъединив его от машины, станем изменять расстояние между пластинами, раздвигая или сдвигая их. Если пластины достаточно хорошо изолированы от всех окружающих тел, то имеющийся на них заряд, очевидно, не может измениться. Однако, соединённый с пластинами электрометр показывает, что напряжение между пластинами не будет оставаться неизменным. Напротив, если мы раздвинем пластины, то электрометр покажет, что разность потенциалов между пластинами возросла. Это означает, что ёмкость конденсатора уменьшилась. Восстановив прежнее расстояние между пластина  ми мы вновь получим прежнее показание электрометра и, следовательно, прежнее значение ёмкости. Уменьшив расстояние между пластинами, мы убедимся, что напряжение между пластинами уменьшилось, т.е. ёмкость конденсатора увеличилась. Вместо того, чтобы отдалять пластины друг от друга, мы можем сдвинуть одну из них в сторону, уменьшив этим величину площади пластинок, расположенных друг против друга. Мы увидим, что  при этом электрометр тоже показывает увеличение разности потенциалов, т.е. уменьшение ёмкости.

Таким образом, ёмкость плоского конденсатора тем больше, чем меньше расстояние между пластинами или чем меньше толщина диэлектрика (в нашем опыте – воздуха), заключённого между пластинами.

Проделаем ещё один опыт. Установим пластины конденсатора на некотором расстоянии друг от друга и одну из пластин зарядим. Заметим величины разности потенциалов, когда между пластинами находится воздух. Вложим между пластинами лист стекла или какой-нибудь другой диэлектрик; мы заметим, что разность потенциалов между пластинами уменьшится. Чтобы довести эту разность потенциалов до прежнего значения, необходимо перенести на заряженную пластину дополнительный заряд. Стало быть, замена воздушного слоя между пластинами каким-нибудь другим диэлектриком увеличивает ёмкость конденсатора.

Причина этого явления станет ясной, если мы вспомним, что вследствие поляризации диэлектрика  напряжённость электрического поля в нём в e раз меньше чем в пустоте. Соответственно в e раз уменьшится разность потенциалов на обкладках конденсатора и в e раз увеличивается его ёмкость.

Таким образом, чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика,  тем больше ёмкость конденсатора.

               Диэлектрические постоянные некоторых веществ

За единицу ёмкости в Международной системе СИ принимают ёмкость такого конденсатора, у которого потенциал возрастает на один вольт при сообщении ему заряда один кулон (Кл). Эту единицу называют Фарадой (Ф). Для практических целей она слишком велика, поэтому на практике используют более мелкие единицы ёмкости: микрофараду (мкФ), нанофараду (нФ), пикофараду (пФ). 1Ф=106 мкФ=109 нФ=1012 пФ.

Классификация 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, согласно ОСТ 11 074.008—78. приведена на рисунке.

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 высоко частотные, импульсные и др.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального на­значения. 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 ним относятся: высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и др.

По характеру изменения емкости различают конденсато­ры постоянной емкости, переменной емкости и 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 плавной настройки коле­бательных контуров, в цепях автоматики и т. п.

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.

В зависимости от способа монтажа конденсаторы могут выполняться для печатного и для навесного монтажа, а также для сопряжения с ними. 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 и 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. 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.

Основные электрические параметры и характеристики

 Удельная ёмкость конденсатора – отношение ёмкости к массе (или объёму) конденсатора.

Номинальная ёмкость конденсатора – ёмкость, которую должен иметь конденсатор в соответствии с нормативной документацией. Фактическая ёмкость каждого экземпляра конденсатора отличается от номинальной, но не более чем на допускаемое отклонение. Значения номинальной ёмкости всех типов конденсаторов постоянной ёмкости (кроме вакуумных) установлена стандартом.

Согласно этому стандарту, установлены семь рядов значений: Е3; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192. Цифры после буквы Е указывают число номинальных значений в каждом десятичном интервале (декаде). Например, ряд Е6 содержит шесть значений номинальных ёмкостей в каждой декаде, которые соответствуют числам 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8. Номинальная ёмкость должна соответствовать числам, полученным путём умножения чисел ряда на 10n, С=Аi ? 10n, где n – целое положительное или отрицательное число. В производстве конденсаторов чаще всего используется ряды Е3, Е6, Е12 и Е24; реже остальные. Номинальные ёмкости при допустимых отклонениях ±5 % и более должны соответствовать числам в приведённых ниже рядах: Е3 (1,0; 2,2; 4,7); Е6 (1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8); Е12 (1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2) и Е24 (1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1).

Допускаемое отклонение ёмкости от номинальной (допуск) характеризует точность значения ёмкости. Значение этих отклонений установлены ГОСТ 9661-73 в процентах для конденсаторов ёмкостью 10пФ и более в  пикофарадах для конденсаторов с меньшей ёмкостью. Кодированные значения допустимых отклонений от номинальной ёмкости приведены в следующей таблице.   

Допускаемые отклоненения ёмкости от номинального значения
 и их кодированные обозначения

   Номинальное напряжение – значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течении срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допускаемое напряжение снижается. Значения номинальных напряжений конденсаторов постоянной ёмкости установлены ГОСТ 9665-77. Эти значения и их кодированные обозначения приведены в таблице.

Номинальные напряжения и их кодированные обозначения

Тангенс угла потерь (tgd). Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы тока и напряжения сдвинуты на угол d. Угол d называется углом диэлектрических потерь. При отсутствии потерь d=0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Pа к реактивной Pр при синусоидальном напряжении определённой частоты:

где j – угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи конденсатор – источник тока; d – угол потерь, дополняющий до 90° угол сдвига фаз j. Как правило, tg d имеет минимум в области комнатных температур. С ростом частоты значение tg d увеличивается. Величина, обратная tg d, называется добротностью конденсатора. Чем больше добротность конденсатора, тем меньше потери в нём при прочих равных условиях.

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора – электрическое сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением Rиз=U/Iут, где U – напряжение, приложенное к конденсатору, Iут – ток утечки, или проводимости. Сопротивление изоляции характеризует качество диэлектрика и качество изготовления конденсаторов и зависит от типа диэлектрика. Сопротивление изоляции для конденсаторов большой ёмкости обратно пропорционально площади обкладок, т.е. ёмкости конденсаторов. Поэтому для конденсаторов ёмкостью более 0,33 мкФ принято вместо сопротивления изоляции приводить значение постоянной времени, выражаемое в секундах (МОм ? мкФ), равное произведению сопротивления изоляции на значение номинальной ёмкости. Сопротивление изоляции конденсатора измеряют между его выводами. Для конденсаторов, допускающих касание своим корпусом шасси или токоведущих шин, вводится понятие сопротивления изоляции между корпусом и соединёнными вместе выводами.

Частотные свойства. Ёмкость конденсатора зависит от частоты приложенного переменного напряжения. При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров – собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью С, собственной индуктивностью Lc и сопротивлением потерь Rn.  При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2…3 раза ниже резонансной.

Характер частной зависимости действующей ёмкости конденсатора (с учётом влияния параметров Lc и Rn) в диапазоне частот от нуля до fp обусловливается соотношением параметров С, Lc, Rn. В большинстве случаев Сд уменьшается с ростом частоты во всём указанном диапазоне частот. Однако вблизи резонансной частоты она всегда уменьшается и стремится к нулю. Ориентировочные диапазоны рабочих частот для различных групп конденсаторов: керамические (0…1010) Гц, бумажные и металлобумажные (0…106) Гц, из полярных плёнок (0…107) Гц, из неполярных плёнок (0…109) Гц, оксидно-полупроводниковые (0…105) Гц, электролитические танталовые (0…104) Гц, электролитические алюминиевые (0…105) Гц, подстроечные (0…1010) Гц.

Допускаемая амплитуда переменного напряжения на конденсаторе Uт.доп. – амплитуда переменного напряжения, при которой потери энергии в конденсаторе не превышают допустимых. Значения Uт.доп. определяются по формуле:

, где Pр.доп. – допустимая реактивная мощность, В ? А;

;  , где U – переменное напряжение на конденсаторе; w – круговая частота; С – ёмкость конденсатора,  Ф; f – частота переменного напряжения на конденсаторе, Гц.

На рисунке представлена зависимость некоторых пара­метров конденсатора, в частности зависимость напряжения Uт.доп. частоты, построенная при фиксированных значениях температуры и допустимой мощности потерь Ра.доп. Граничная частота определяется допустимым снижением действующей емкости Сд. На рисунке обозначены области режимов работы конденсаторов: 1 — рабочих; 2 — теплового пробоя; 3 — по­вышенной вероятности электрического пробоя; 4 — электри­ческого пробоя; 5 — пониженных значений Сд; 6 — индуктив­ного характера сопротивления конденсатора.

Превышение Uт.доп. может вызвать тепловой пробой ди­электрика и другие нежелательные явления.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) — параметр, применяемый для характеристики конденсаторов линейной зависимостью емкости от температуры. Практически ТКЕ определяют как относительное изменение емкости конден­сатора при изменении температуры на 1°С. Слюдяные, кера­мические и некоторые пленочные конденсаторы в зависимости от температурной стабильности разделяют на группы, каждая из которых характеризуется своим ТКЕ. Если зависимость емкости от температуры нелинейна, темпера­турную стабильность емкости конденсатора характеризуют относительным изменением емкости при переходе от нормаль­ной температуры (20±5°С) к предельным значениям рабо­чей температуры. Слюдяные и полистирольные конденсаторы имеют ТКЕ в пределах (50...200) X 10-6/°С, поликарбонатные — 50 X 10-6/°С. Для конденсаторов с дру­гими видами диэлектрика ТКЕ не нормируется.

Необратимые изменения емкости конденсаторов при воз­действии тепла характеризуются остаточным относительным изменением емкости (после возвращения к исходной темпе­ратуре), которое называют коэффициентом температурной нестабильности емкости (КТНЕ).

Стабильность параметров конденсаторов. Электрические свойства и срок службы конденсатора зависят от условий эксплуатации (воздействие тепла, влажности, радиации, виб­раций, ударов и др.).

Температура и влажность окружающей среды являются важнейшими факторами, влияющими на надежность, долго­вечность и сохраняемость конденсаторов. Предельно допусти­мая температура для конденсаторов ограничивается заданием максимальной положительной температуры окружающей сре­ды и величиной электрической нагрузки. Применение конден­саторов в условиях, превышающих эти ограничения, может вызвать резкое ухудшение параметров (снижение сопротив­ления изоляции, уменьшение емкости, увеличение тока и тан­генса угла потерь), нарушение герметичности спаев. На конденсаторы в составе аппаратуры может еще воздейство­вать теплота, выделяемая другими сильно нагревающимися при работе аппаратуры изделиями.

Для многих типов конденсаторов в условиях низких тем­ператур характерно снижение емкости, особенно у оксидных и керамических конденсаторов. Все типы оксидных конденса­торов с жидким или пастообразным электролитом при тем­пературах ниже 60°С практически неработоспособны.

С ростом температуры окружающей среды напряжение на конденсаторе должно снижаться.

Воздействие влаги сказывается на снижении значения сопротивления изоляции (повышается вероятность пробоя), увеличении тангенса угла потерь.

Влага, кроме того, вызывает коррозию металлических деталей конденсаторов.

При эксплуатации аппаратуры конденсаторы подвергают­ся воздействию различного вида механических нагрузок: вибрации, ударам, ускорению и т.д. Как следствие могут возникнуть обрывы выводов, трещины и снижение электриче­ской прочности.

Процессы, протекающие в конденсаторах в условиях воз­действия ионизирующих излучений, приводят к обратимым и остаточным изменениям электрических параметров.

Обратимые изменения связаны с процессами ионизации диэлектрических материалов и воздуха и сопровождаются резким снижением сопротивления изоляции и увеличением тока утечки. Увеличивается также тангенс угла потерь, осо­бенно на низких частотах. После прекращения облучения сопротивление изоляции (ток утечки оксидных конденсато­ров) в большинстве случаев восстанавливается. Остаточные изменения параметров связаны в основном с устойчивыми нарушениями структуры рабочего диэлектрика и защитных материалов. Особенно подвержена изменениям структура по­лимерных материалов, применяемых в пленочных и комбини­рованных конденсаторах.

Конденсаторы с органическим диэлектриком вообще более чувствительны к воздействию излучения по сравнению с не­органическим диэлектриком. Наиболее устойчивы к воздей­ствию ионизирующих излучений керамические конденсаторы.

Наибольшие необратимые изменения параметров вызы­ваются длительным воздействием электрической нагрузки.

Превышение допустимых значений постоянного и пере­менного напряжения резко снижает надежность конденса­торов. Наиболее устойчивы к воздействию электрических нагрузок и стабильны защищенные керамические конденса­торы. Среди оксидных конденсаторов наиболее стабильны оксидно-полупроводниковые герметизированные конденсато­ры. Низкая стабильность параметров проявляется у электро­литических оксидных конденсаторов.

При длительном хранении всех конденсаторов изменяется их емкость.

Основные стадии конструирования

Технологический цикл изготовления различных полупровод­никовых приборов включает большое число операций, которые располагаются в различной последовательности в зависимости от типа и метода изготовления конкретного прибора.

Кратко рассмотрим назначение основных технологических стадий конструирования.

Ориентация и наклейка слитка. Ориентация слитка заклю­чается в том, что определяют направление кристаллографиче­ских осей и отмечают отклонение плоскости торца слитка от за­данной кристаллографической плоскости. Значительные откло­нения могут приводить к ухудшению параметров приборов. Ори­ентация слитка необходима для лучшего воспроизведения параметров приборов от партии к партии.

Ориентированный слиток наклеивают на специальное при­способление для резки. Это позволяет произвести раскрой слит­ка на пластины с заданным расположением требуемой кристал­лографической плоскости относительно плоскости пластины.

Резка слитка на пластины. Эта операция необходима для по­лучения заготовки (пластин) из слитка полупроводникового ма­териала толщиной 0,15—1 мм.

Шлифовка пластин. Путем шлифовки доводят толщину пла­стины до заданной величины по всей площади, а кроме того, устраняют грубые механические нарушения поверхности, воз­никшие при резке слитка.

Промывка пластин после шлифовки. Отшлифованные пластины промывают, удаляют с их поверхности остатки шлифоваль­ного порошка и жировых загрязнений, которые затрудняют по­следующий процесс травления.

Травление пластин. Поверхность пластины очищают от окис­лов и загрязнений путем химического снятия поверхностного слоя полупроводника. Одновременно удаляется поверхностный слой, кристаллическая решетка в котором подверглась наруше­нию при механических обработках.

Изготовление невыпрямляющих контактов. Невыпрямляющие контакты служат для присоединения к кристаллу с переходом по крайней мере двух выводов и могут быть изготовлены как на всей пластине, так и на отдельных кристаллах, на которые ее разрезают в зависимости от конструкции и типа прибора.

Резка пластин на отдельные кристаллы. Эта операция может производиться различными методами. При резке пластины на отдельные кристаллы получают уже заготовки непосредственно для производства полупроводниковых приборов.

Промывка кристаллов после резки. При промывке кристал­лов удаляют с их поверхности механические загрязнения, остав­шиеся после резки. Промывка в органических растворителях про­изводится для обезжиривания кристаллов, которое затрудняет процесс травления.

Сортировка кристаллов. Эта операция проводится с целью выявления брака по геометрическим размерам, а иногда ориен­тировочно определяется пригодность кристаллов с р—n перехо­дом к дальнейшему использованию.

Химическая обработка кристаллов. Путем травления поверх­ность кристалла очищают от окислов и других загрязнений, а также снимают слой, нарушенный при резке пластины на кристаллы. При травлении кристаллов уже с р—n переходом осо­бенно важно тщательно очистить места выхода р—n перехода па поверхность кристалла, так как малейшие загрязнения будут шунтировать р—n переход, ухудшая его электрические свой­ства.

Промывка кристаллов с р—n переходами после их травления и сушка. Путем промывки снимают с поверхности кристаллов остатки растворов и солей, образовавшихся во время травле­ния.

После промывки кристаллы подвергают сушке. Сушку реко­мендуется проводить в среде очищенного и осушенного газа, так как свежепротравленная поверхность германия и кремния ак­тивно взаимодействует с окружающей средой.

Лакировка р­—n перехода. Места выхода p—n перехода на поверхность покрывают тонкой пленкой лака, которая предохра­няет их от воздействия окружающей среды и обеспечивает ста­бильность параметров прибора во времени.

 Разбраковка кристаллов по электрическим параметрам. На основании измерения электрических параметров отбраковывают кристаллы но заранее заданным величинам. Качественные кри­сталлы поступают на дальнейшие операции,

Сборка приборов. В эту операцию входит комплекс работ, связанных с конструктивным оформлением данного полупровод­никового прибора (например, присоединение выводов к невы­прямляющему контакту, напайка кристалла с переходом на кристаллодержатель или на специальную подложку, приварка внеш­них выводов и т. д.).

Герметизация приборов. Эта операция входит в технологиче­ский процесс сборки и служит для защиты р—n перехода уже в готовом приборе от воздействия окружающей среды.

Классификация и испытания приборов. Путем измерения па­раметров и испытания прибора выявляют брак и определяют принадлежность конкретного образца к той или иной группе для данного типа прибора.

Основные электрические параметры обычно измеряют у всех приборов (100% партии); в зависимости от вида испытаний кон­тролируют либо всю партию, либо ее часть.

Маркировка. На прибор наносят условные обозначения: тип и группу прибора, дату выпуска и марку завода.

Характеристики групп и типов конденсаторов. Области их применения

Конденсаторы, с неорганическим диэлектриком

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 также, 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.

Конденсаторы с органическим диэлектриком

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 104...105 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 105...107 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 слоев 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.

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 также, 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.

Краткие характеристики типов конденсаторов. Типы, основные особенности и возможная область применения наи­более распространенных конденсаторов приведены в таблице.

Чтобы полнее охарактеризовать типы конденсаторов, вве­дем понятие диэлектрической абсорбции, которая характери­зует свойство конденсатора сохранять некоторый заряд после кратковременного замыкания его обкладок. Коэффициент абсорбции:

где U1 – напряжение на обкладках конденсаторов до их замыкания; U2 – напряжение, восстановившееся на обкладках конденсатора через 3 минуты после того, как он был закорочен на 5 с.

Как отмечено выше, при работе в цепях пере­менного тока часть подводимой к конденсатору электриче­ской энергии рассеивается. Потери энергии в конденсаторе характеризуются значением tg d.

Краткие характеристики конденсаторов и области их применения

 Список использованной литературы:

Брук В.А. Производство полупроводниковых приборов. М., 1963.

Конденсаторы: Справочник. М., 1960.

Курносов А.И., Воронцов Э.Н. Полупроводниковая микроэлектроника. М., 1973.

Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства: Справочник. Минск, 1994.

Элементарный учебник физики / Под ред. Г.С.Ландсберга. В 3 т. М., 1972. Т.2.

РАБОТА ДОБАВЛЕНА В КОЛЛЕКЦИЮ: 7 ДЕКАБРЯ 2002