16

Лекция № 5 (2. 2.) Конденсаторы

1. Классификация, основные электрические характеристики и параметры

2. Система условных обозначений и маркировки конденсаторов

1. Классификация и основные характеристики

Основные понятия

Конденсаторы (лат, Condenso -сгущать, уплотнять) относятся к массовым изделиям (деталям) электронной техники. Электрический конденсатор представляет собой два проводника (обкладки), разделенных диэлектриком или полупроводником. Конденсаторы применяются в РЭА в качестве деталей, обладающих сосредоточенной электрической емкостью. Конструкция конденсатора обеспечивает полное сосредоточение поля в промежутке между обкладками и его практически полное отсутствие в окружающем пространстве.

Классификация конден­саторов.

По характеру измененияемкости все конденсаторы подразделяются напостоянныеипеременные. Упостоянныхконден­саторов величинаемкости (в пределах оговоренных значений) оста­ется неизменной при эксплуатации в течение всего срока служ­бы. Упеременныхконден­саторов конструкция позволяет изменять взаимное положение пластин и по заданному закону изменять величину ихемкостив процессе регулировки аппаратуры пос­ле ее изготовления или ремонта, а также в процессе эксплуата­ции аппаратуры. Выделяют такжеподстроечныеконденсаторы.Их емкостьизменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры.

По материалу диэлектрика конденсаторыразделяют на следующие группы:

• с газообразным (воздушным, вакуумным) диэлектриком;

• керамические;

• стеклянные;

• стеклокерамические;

• тонкопленочные с неорганическим диэлектриком (слюдяные, бумажные (фольговые и металлизированные));

• тонкопленочные с органическим диэлектриком (полистирольные, полиэтилентерефталатные, поликарбонатные, полипропиленовые, фторопластовые, лакопленочные, комбинированные);

• 0ксидные (электролитические, полупроводниковые, объемно-пористые);

• сегнетокерамическим диэлектриком.

По назначению конденсаторыразделяют на следующие группы:

• конденсаторыобщего назначения;

• прецизионные конденсаторы;

• высокочастотные и импульсные конденсаторы;

• высоковольтные конденсаторы;

• переменные (подстроечные) конденсаторы.

Рассмотрим основные электрические характеристики конден­саторов.

Номинальная емкость. Допустимое отклонение емкости от номинальной. Удельная емкость.

Номинальные емкости конденсаторов постоянной емкости стандартизованы. С целью упорядочения номенклатуры конденсаторов (как и резисторов) в соответствии с рекомендациями Международной Электротех­нической Комиссии (МЭК) государственными стандартами установ­лены так называемые параметрические рядыE, являющиеся рядами геометрической прогрессии (см. лекцию 2.1). Всего таких ря­дов семь:Е3, Е6, E12, Е24, Е48, Е96, E192; цифра в наимено­вании ряда означает количество чисел в нем. Наиболее часто на практике пользуются числами рядов Е6, E12,Е24.

Фактическая емкость конденсатора может отличаться от но­минальной не больше чем на допустимое отклонение - допуск. По величине допустимого отклонения емкости от номинальной кон­денсаторы разделяются на следующие основные классы точности001 (±0,1); 002 (±0,2); 005 (±0,5); 00 (±1); 0 (±2); 1 (±5); 2 (±10); 3 (±20); 4 (‑10...0); 5 (‑20...30); 6 (‑20...60),В скобках указан допуск в%. На конденсаторах очень малых емкостей допуск указывается в пикофарадах,

Для сравнения конденсаторов между собой пользуются понятием удельной емкостиCуд = С / V, где V- активный объем ди­электрика. Максимальной удельной емкостью обладают конденсаторы с наибольшей величинойeдиэлектрика при минимальной его толщине. Максимальной удельной емкостью обладают оксидные конденсаторы, минимальной - воздушные (вакуумные).

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ).Зависимость емкости от температуры, как правило, нелинейная и нередко довольно сложная, ибо при изменении тем­пературы происходит изменение величиныeдиэлектрика, пло­щади обкладок и зазоров между ними и диэлектриком. Однако для некоторых типов конденсаторов в диапазоне рабочих температур эта зависимость близка к линейной. К таким конденсаторам от­носятся воздушные, слюдяные, высокочастотные керамические, полистироловые, фторопластовые и др. Для них характерно обратимое изменение емкости, т. е. возвращение значения емкости к первоначальному после прекращения температурного воздействия. Такое обратимое изменение емкости характеризуетсятемпе­ратурным коэффициентом емкости.

Относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина) называется температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

ТКЕ конденсаторов определяется в основном типом диэлектрика и находится в интервале значений±30 10⁶ 1/°С у лучших керамических и слюдяных конденсаторов до±10⁴ 10⁶ 1/°С у оксидных. ТКЕ нормируется в пределах от +120 10⁶ 1/°С до ‑3300 10⁶ 1/°С, а если он превышает эти величины - указывается интервал рабочих температур.

Пробивное напряжение - это значение напряжения, при ко­тором наступает электрический пробой изоляции конденсатора при постепенном увеличении напряжения на его обкладках. Напряжение близкое к пробивному, называется испытательным. Оно определяет электрическую прочность конденсатора. Электрическая прочность конденсатора уменьшается с увеличением емкости конденсатора, повышением температуры, давления, влажности и зависит от условий теплоотдачи и однородности материала.

Номинальное рабочее напряжениеU_НОМконденсатора - предельно допустимое напряжение постоянного тока (для не которых типов конденсаторов - сумма напряжений постоянного и переменного токов), при котором конденсатор может работать в течение гарантируемого срока службы при максимально допус­тимой рабочей температуре. Номинальное рабочее напряжение постоянного тока устанавливается с соответствующим запасом по отношению к электрической прочности диэлектрика, что прак­тически исключает в течение гарантируемого срока службы ста­рение конденсатора.

Допустимые значения амплитуды напряжения переменного то­ка U_MAXвыбираются такими, чтобы в конденсаторе не возникали вызывающие его перегрев явления ионизации. При этом следует учитывать допустимуюреактивную мощность, развиваемую в кон­денсаторе,

P_Q = 2 p f C U²_MAX  sinj

где j- угол сдвига фаз между напряжением и током.

Полагая в этой формуле sinj =1. Получаем

U_MAX = (P_Q /2 p f C ) ^1/2

откуда следует, что допустимая амплитуда переменного напряже­ния U_MAXна конденсаторе уменьшается с ростом частоты. Для раз­личных конденсаторов, применяемых в РЭА,P_Q = 5...150 ВАР, допустимая амплитуда U_MAXменьше номинального рабочего напряже­ния в1,5...2раза. Если конденсатор работает в цепи пульсирующего тока, то должно выполняться следующее обязательное условие:U_НОМ = U + U_MAX, гдеU- постоянная составляющая пульсирующего напряжения.

Для отбраковки конденсаторов с невысокой электрической прочностью заводы‑изготовители проверяют конденсаторы ис­пытательным напряжением U_ИСП = (1,1...3) U_НОМв те­чение короткого времени (около10с). Естественно, что испы­тательное напряжение должно быть несколько ниже пробивного напряжения конденсатора.

Рабочее напряжение- это такое значение напряжения, при котором конденсатор эксплуатируется в РЭА. Рабочее напряжение конденсатора обычно выбирают ниже номинального.

Сопротивление изоляции зависит от материала диэлектрика R из = U / I, где R из ‑  сопротивление изоляции конденсатора, Ом; U ‑ напряжение на его обкладках, В.

Значение сопротивления изоляции характеризует ее качество. После окончания процесса заряда конденсатора проходящий через него ток принимает не­которое конечное значение, называемое током утечки. Его величина обусловлена наличием в диэлектрике свобод­ных ионов (реже - электронов), полупроводящих включений, а также проводимостью участка между выводами конденсатора. Ми­нимально допустимые при комнатной температуре значения сопротивления изоляцииRиз МОмсоставляют:

• для низкочастотных керамических конденсаторов -10²...10³;

• для высокочастотных керамических - 10⁴;

• для слюдяных - 7,510³...5 10⁴;

• для пленочных и металлопленочных - 10⁸;

• для бумажных - 510³...10⁵;

• для металлобумажных - 210³...5 10⁴;

• для оксидных конденсато­ров основной характеристикой электрической изоляции является ток утечки, величина которого может быть от долей микроампера (танталовые конденсаторы) до нескольких миллиампер (алюминие­вые конденсаторы).

Наличие сопротивления Rизконечной величины приводит к возникновению саморазряда конденсатора. Если конденсатор был заряжен до напряжения на его обкладкахUcмах, то после отключения источника ввиду наличия тока утечки начнется само­разряд и напряжение на обкладках и. u_c(t)с течением времени начнет убывать по экспоненте:

u_C(t)=U_CMAX exp(-t / t_K)

где t_K- постоянная времени конденсатора, представляющая собой отрезок времени, по истечении которого напряжение на его обкладках уменьшится вe=2,72раза, т.е. составит

u_C(t= t_K)= 0,37 U_CMAX.

Так, например, если C=1 мкФ, R_ИЗ=10 ⁹ Ом, тоt_K =10 ³  с,т.е. напряжение на обкладках заряженного конденсатора с высо­ким сопротивлением изоляции будет убывать медленно. Теперь становится очевидным, почему в инструкции по эксплуатации высоковольтной РЭА в целях безопасности запрещается вскрывать блоки сразу после выключения питания. С этой же целью многие высоковольтные устройства снабжаются специальными разрядными приспособлениями, с помощью которых осуществляется разряд конденсаторов аппаратуры перед ее вскрытием.

Величина R_ИЗзависит не только от свойств материала диэлектрика, но и от особенностей конструкции конденсатора. Чем больше расстояние между выводами конденсатора по поверхности его наружной изоляции, тем выше сопротивлениеR_ИЗ, которое в основном определяет потери в конденсаторе на низких частотах. Кроме герметизации, для сохранения высокого значенияR_ИЗв процессе эксплуатации поверхность конденсатора часто покрывают глазурями и кремнийорганическими лаками, уменьшающими адсорбционную способность наружной изоляции. Часто в конструкции поверхности конденсаторов, особенно высоковольтных, предусматривают недоступные для прикосновения руками шейки, которые в условиях влажной и загрязненной внешней среды препятствуют возникновению на поверхности трекинга.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через реальный конденсатор векторы тока и напряжения сдвинуты на угол  d_КОНД. Угол   d_КОНД называется углом диэлектрических потерь (или углом потерь конденсатора). При отсутствии потерь  d_КОНД = 0. За­метим, что всегда tg d_КОНДбольшеtg d материала его диэлектрика. Часто для количественной оценки качества конденсатора пользуются понятием егодобротностиQ_КОНД = 1 / tg d_КОНД, которая у современных конденсаторов может достигать несколь­ких тысяч.

Потери энергии конденсатора, Вт, в цепи переменного тока подсчитывают по формуле

P _R = 2 p f tg d_КОНДU ² / C,

где U ‑ действующее напряжение, приложенное к конденсатору, В; f ‑ частота синусоидального тока, Гц; C ‑  емкость конденсатора, Ф; tg d_КОНД- тангенс угла потерь.

Тангенс угла потерь зависит от параметров диэлектрика (у слюдяных и керамических конденсаторов tg d = 0,0025, у оксидных - на два порядки выше).

Собственная Индуктивность. Максимальная рабочая частота.

Реальный конденсатор обладает не только емкостью C, но и активным сопротивлением R_К и индуктивностью L_К, т.е. представляет собой сложную электрическую цепь, которую с тем или иным приближением можно отобразить эквивалентной схемой. Упрощенная эквивалентная схема конденсатора показана на рисунке (кадр 1).

Индуктивность конденсатора L_Копределяется конструкцией его выводов и обкладок. Чем тоньше и длиннее проводники выводов конденсатора и чем больше обкладки, тем большеL_К. При монтаже высокочастотных схем следует оставлять выводы настолько короткими, насколько позволяют технические условия на конденсатор. Сказанное, между прочим, относится и к другим радиодеталям. Если конденсатор имеет длинные обкладки, свернутые в спираль, как у сухих оксидных алюминиевых конденсаторов, индуктивность его существенно возрастает.

При частоте тока в цепи с конденсатором f₀=1 / (2 p  (L_К С) ^1/2) наступает резонанс и полное сопротивление конденсатораZстановится минимальным и равным сопротивлению потерьR _К.При частотеf < f₀ сопротивление конденсатора имеет емкостный характер, т.е. он может выполнять свои функции, а приf > f₀ -индуктивный. Максимальная рабочая частота, на которой целесообразно использовать конкретный конденсатор, должна удовлетворять условию f_РАБ MAX <  f₀  / 3. Собственная индуктивностьL_Кподавляющего большинства применяе­мых в РЭА конденсаторов лежит в пределах0,1...50 мкГн, что соответствуетf_0 MAX д=5000...50 МГц(для конденсаторов емкостью не выше сотен пикофарад). Наибольшей индуктивностью обладают бумажные конденсаторы, наименьшей - высокочастотные керамиче­ские.

Рассмотрим основные разновидности конденсаторов, применяемых в РЭА в качестве дискретных деталей.

Диэлектрические конденсаторы постоянной емкости

Конденсаторы постоянной емкости работают в РЭА в самых разнообразных режимах, что обусловливает большое количество их типов, выпускаемых промышленностью. Характеристики кон­денсаторов определяются свойствами их диэлектриков, а также конструктивными особенностями. Все конденсаторы постоянной емкости можно подразделить на низковольтные (U_НОМ < 1600 В), высоковольтные (U_НОМ > 1600 В), низкочастотные (для работы на частотах до десятков килогерц) и высокочастотные. К диэлек­трическим конденсаторам постоянной емкости относятся бумажные и металлобумажные, пленочные и металлопленочные, слюдяные, стеклянные и стеклоэмалевые, кера­мические.

В качестве диэлектрика бумажных (бумажно-фольговых) конденсаторовприменяется конденсаторная бума­га в два-три слоя, а обкладки выполняются из тонкой алюми­ниевой фольги(кадр 2). Чтобы устра­нить опасность пробоя конде­нсатора из-за наличия в бума­ге посторонних проводящих включений, обычно между фольгой прокладывают два-три слоя бумаги. При этом увеличивается надежность конденсатора, так как вероятность того, что дефек­тные участки в двух или трех слоях конденсаторной бумаги ока­жутся друг над другом, ничтожно мала.

Для повышения электрической прочности, увеличения диэлектрической проницаемости, защиты от воздействия влаги, а также для уменьшения старения конденсаторы подвергают пропитке с последующей герметизацией.

Бумага, используемая в качестве диэлектрика, представляет собой материал с полярными молекулами и обладает дипольно-релаксационной поляризацией. Диэлектрические потери в ней зависят от температуры и частоты. При увеличении частоты переменного тока максимум потерь смещается в область комнатных температур, при которых в большинстве случаев работает современная РЭА, что ограничивает рабочую частоту бумажных конденсаторов несколькими мегагерцами.

Кроме того, бумажные конденсаторы с длинными обкладками, свернутыми в спираль, обладают большой собственной индуктивностью. Для ее уменьшения один слой фольги несколько смещают по отношению к другому (кадр 3). Выступающую фольгу по торцу опаивают, в результате чего витки спирали оказываются электрически замкнутыми между собой и индуктивность конденсатора резко уменьшается.

Основное применение бумажные конденсаторы находят в фильтрах источников питания РЭА, ибо в них большое значение tg dне играет существенной роли. Малогабаритные конденсаторы могут использоваться в фильтрах на частотах до нескольких мегагерц.

В ряде случаев на смену бумажным приходят металлобумажные конденсаторы, обкладки которых выполняются в виде слоя металла (цинка, реже алюминия или никеля) толщиной до сотых долей микрометра, наносимого на бумагу методом испарения в вакууме(кадр 4).

Металлобумажные конденсаторы самовосстанавливаются после электрического пробоя. Самовосстановление становится возможным потому, что запасенной в конденсаторе или поступающей к нему извне электрической энергии оказывается достаточно для испарения тонкого слоя металла в месте пробоя и обособления тем самым поврежденного участка от остального металлического покрытия. Наилучшими свойствами самовосстановления обладают конденсаторы с цинковым покрытием. Эффект самовосстановления позволяет изготовлять металлобумажные конденсаторы с одним слоем бумаги, что в сочетании с малой толщиной обкладок позволяет в пять-семь раз уменьшить их габариты по сравнению с бумажными конденсаторами той же емкости и одинакового рабочего напряжения.

Металлобумажные конденсаторы, как и обычные бумажные, подвергают пропитке и герметизации. Они могут работать в сложных атмосферных условиях, при сильных вибрациях и удар­ных нагрузках. Однако по сравнению с бумажными у них меньше сопротивление изоляции и больше tg d, особенно при повы­шенной рабочей температуре(кадр 5).

Более высокими электрическими параметрами обладают пленоч­ные, металлопленочные, стеклянные и стеклоэмалевые конденса­торы.

У высокочастотных пленочных конденсаторовдиэлектриком служат полиэтилен (пленка часто носит название стирофлекс), полистирол и фторопласт‑4, а у низкочастотных - лавсан и по­ликарбонат в виде пленки толщиной5...40 мкм. Обкладки толщиной6...7 мкмизготовляются из алюминия. Все эти конденса­торы, за исключением фторопластовых, выпускаются только низковольтными (U < 1600 В), их конструкция аналогична конст­рукции бумажных конденсаторов(кадр 6, 7). Для устранения воздушных вклю­чений между слоями диэлектрика и фольгой и обеспечения моно­литности конденсаторов их подвергают специальной термической обработке - запеканию. Пленочные фторопластовые конденсаторы могут работать при температуре до+200°С.

В металлопленочных конденсаторах (полистироловых и фторопластовых) обкладки выполнены так же, как и в металлобумажных. При тех же преимуществах, однако, они выдерживают мень­шее число пробоев.

Применение комбинированного диэлектрика (например, лав­сан + бумага) существенно повышает электрическую прочность, сопротивление изоляции и надежность конденсатора. Комбиниро­ванные конденсаторы выпускаются как низковольтными, так и вы­соковольтными на рабочее напряжение до 50 кВ (кадр 8).

В слюдяных конденсаторахв качестве диэлектрика чаде всего применяется высококачественная природная слюда мусковит. Так как пластинки слюды имеют ограниченные размеры, то диэлектрик конденсатора оформляется в виде пакета (кадр 9).Обкладки изготовляются из фольги, а в более высоко­качественных конденсаторах - в виде тонкого слоя металла, нанесенного на слюду методом вжигания или испарения в ва­кууме.

Ввиду высокой гигроско­пичности слюды конденсаторы защищают от влаги. Вначале с этой целью конденсаторы спрес­совывались в пластмассу, а в последнее время стала применяться их герметизация. Не­которые из таких конденсато­ров показаны на (кадр 10).

Со слюдяным диэлектриком изготовляются прецизионные (precision - точность) конденсаторы, контурные, блоки­ровочные, высоковольтные (до60 кВ) и др. Отличительными особенностями слюдяных кон­денсаторов являются малые по­тери на высоких частотах, вы­сокие пробивное напряжение и сопротивление (кадр 11). Общий их недо­статок - довольно высокая стоимость.

Для изготовления стеклянных конденсаторовиспользуют пластинки из щелочного стекла, которые укладывают в пакет, чередуя с фольгой, и затем весь пакет подвергают спеканию. По своим свойствам и конструкции они близки к слюдяным конденсаторам, выдерживают температуру до+200°С, однако имеют напряжениеU_НОМ £  500 В.

Для изготовления стеклоэмалевых конденсаторовприменяют размельченную стеклоэмаль, слои которой чередуют со слоями серебряной пасты с последующим спеканием этой структуры. Конденсаторы выдерживают рабочую температуру до+100°Си выпускаются низковольтными и высоковольтными. По структуре близки к нимстеклокерамические конденсаторы, допускающие рабочую температуру до+200°С, в которых диэлектриком служит спекаемая смесь из порошка обожженной керамики и20..30%легко­ плавкой стеклоэмали.

Керамические конденсаторыявляются самыми распространенными в РЭА, построенной на дискретных деталях. На их керамическую основу методом вжигания наносят обкладки в виде тонких слоев серебра, к которым припаивают выводы конденсатора. Так как метод вжигания серебра широко использует­ся в производстве различных деталей и компонентов РЭА, то кратко поясним его сущность. На поверхность отожженной кера­мики наносят слой пасты, состоящей из углекислого серебраAg C O₃, окиси висмутаPb₂ O₃ - и борнокислого свинцаРЬ B₄ O₄, в растворе канифоли и скипидара. При обжиге конденсатора при температуре около800 °Cканифоль и скипидар выгорают, металлическое серебро восстанавливается, образуя тонкий слой, прочно сцепленный с поверхностью керамики.

Конструктивное оформление керамических конденсаторов весьма разнообразно. Внешний вид некоторых низковольтных и высоковольтных конденсаторов показан на (кадр 12...15). Высоко­вольтные керамические конденсаторы выпускаются на рабочее напряжение до20 кВ.

Керамические конденсаторы хорошо работают в цепях постоянного и переменного тока и в импульсном режиме. Основное применение они находят в высокочастотных цепях в качестве контурных, термокомпенсирующих, блокировочных, разделитель­ных и др. В зависимости от величины и знака ТКЕ производится окраска корпуса конденсатора и его маркировка различными цветами.

У оксидных конденсаторовпостоянной емкости диэлектриком служит оксидный слой, образованный на поверхности металла. В технической литературе часто встречается прежнее название таких конденсаторов -электролитические, запрещенное к даль­нейшему применению ГОСТ 21415-75. Этот запрет имеет своей целью унифицировать название всех конденсаторов постоянной емкости по виду их диэлектрика. Электролит же в таких конденсаторах диэлектриком не является.

Оксидные конденсаторы являются низкочастотными и предназ­начены для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока в сглаживающих фильтрах выпрямителей переменного тока в посто­янный и в развязывающих фильтрах.

В процессе электрохимического окисления ряда металлов на них образуются оксидные слои с униполярной, односторонней (лат. unus- один) проводимостью. Оксидный слой может в неко­торых случаях образоваться на поверхности металла и при его контакте с электронным полупроводником. Металлы, допускающие образование оксидного слоя, называются вентильными. Среди них на сегодняшний день техническое значение имеют алюминий (об­разует оксидный слой Al₂ O₃), тантал (Ta₂ O₅) и ниобий (Nb₂ O₅).

Поясним сущность униполярной проводимости на примере работы ок­сидного слоя Al₂ O₃, используемого в ка­честве диэлектрика в алюминиевых оксид­ных конденсаторах. Согласно совре­менным представле­ниям на границах оксидного слоя образуются тонкие прослойки с повышен­ной проводимостью: у границы оксидно­го слоя с металлом ‑ прослойка с проводимостьюn‑ -типа (вследствие избытка элек­тронов), у границы с электролитом - прослойка с проводимостьюp‑типа (из-за избытка ионов кислорода). Между ними распо­лагается слой с собственной проводимостьюi‑ типа (в основ­ном ионной). Таким образом, создаетсяp‑i‑n‑ переход, свой­ствами которого и объясняется униполярная проводимость оксид­ного слоя.

Оксидный слой, постоянно находясь в контакте с электроли­том, получает (когда конденсатор находится под напряжением) от него кислород и все время восстанавливается, т.е. происхо­дит его формовка, причем этот слой будет тем толще, чем выше рабочее напряжение конденсатора. В процессе хранения конден­сатора оксидный слой постепенно разрушается, а это означает, что после длительного хранения конденсатор нельзя сразу вклю­чать на полное рабочее напряжение.

Оксидный слой создается на пластине, являющейся анодом конденсатора. Поэтому в зависимости от материала анода оксид­ные конденсаторы подразделяют на алюминиевые, танталовые и ниобиевые.

Оксидные конденсаторы при рабочих напряжениях до 100 В по удельной емкости превосходят все другие типы конденсаторов. Это объясняется ма­лой толщиной диэлектрика - оксидного слоя (0,01...1,5 мкм), его относительно высокой диэлектрической проницаемостью (дляAl₂ O₃ e = 10, дляTa₂ O₅ e = 27, дляNb₂ O₅ e = 45), большой эффективной площадью обкладок, достигаемой путем их травле­ния или использования объемно-пористых анодов, и высокой допустимой рабочей напряженностью электрического поля в рабочем слое (дляAl₂ O₃E_ДОП  » 5 10 ⁶ В/см).

Максимально допустимая напряженность поля в диэлектрике E_ДОП  =  U_ДОП  / d, U_ДОП  - максимально допустимое напряжение, подводимое к обкладкам конденсатора;d-толщина диэлектрика для плоского конденсатора

C = e  S / d = E_ДОП   e  S / U_ДОП  ,

т.е. при прочих равных условиях повышенное значение емкости можно получить в том конденсаторе, где электрическая прочность диэлектрика выше, ибо в этом случае можно уменьшить толщину диэлектрика.

Оксидные конденсаторы относятся к категории полярных, т.е. они могут работать только при определенной полярности посто­янного или пульсирующего напряжения. В полярных конденсаторах на поверхность анода, являющегося одной обкладкой конденсатора, наносится диэлектрик - оксидный слой. Другой обклад­кой является электролит, а катод служит лишь выводом от элек­тролита. При изменении полярности или включении конденсатора в цепь переменного тока он выходит из строя ввиду разрушения оксидного слоя. Однако существуют не находящие применения в специальной РЭА неполярные конденсаторы (например, алюминиевые К50-6и танталовыеК52-8) с двумя анодами, на каждом из которых имеется оксидный слой. Эти конденсаторы можно исполь­зовать в цепях переменного тока.

Оксидные конденсаторы подразделяют на высоковольтные с рабочим напряжением 250...450 Ви емкостью до нескольких сотен микрофарад и низковольтные с рабочим напряжением6...60 Ви емкостью до нескольких тысяч микрофарад. К высоковольтным относятся алюминиевые конденсаторы, а к низковольтным - танталовые и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. На (кадре 16) показано устройство различных конденсаторов. Рассмотрим их особенности.

Алюминиевые конденсаторы- пер­вые оксидные конденсаторы. В настоящее время они применяются лишь в наземной специальной РЭА. В бортовой аппаратуре им на смену пришли более современные танталовые и оксидно‑полупрово­дниковые конденсаторы.

На практике применяются так называемые сухие алюминиевые конденсаторы. Анод конденсатора изготовляется из алюминиевой фольги толщиной 50...150 мкм, содержащей около99,99%чистого алюминия, которая подвергается оксидированию. К неоксидированной ее стороне подсоединяется вывод положите­льного полюса конденсатора. Катодная неоксидированная фольга имеет толщину7..16 мкми в ней допускается содержание при­месей до0,4%.Она является отрицательным полюсом конденсато­ра и в подавляющем большинстве случаев подсоединяется к его корпусу с помощью вывода. Для прокладки между двумя лентами фольги применяются специальные сорта бумаги иди хлопчатобу­мажной ткани, пропитанной электролитом, в качестве которо­го обычно применяют смесь борной кислотыH₃ B O₃,аммиакаN H₃, и этиленгликоляCH₂ OH CH₂ OH. В малогабаритных алюминиевых конденсаторах в качестве катодной пластины ис­пользуется оловянно‑свинцовая фольга, не окисляющаяся в су­хом электролите.

Большинство алюминиевых конденсаторов могут работать при температуре до 60°С. По допустимому значению отрицательной рабочей температуры алюминиевые конденсаторы делятся на сле­дующие группы:H- неморозостойкие (до‑10°С),M- морозостойкие (ло‑40°С),ПМ- повышенной морозостойкости (до‑50°СиОМ- особо морозостойкие. При заданных величинах емкости и рабочего напряжения более морозостойкие конденсаторы имеют увеличенные габариты.

Емкость алюминиевого конденсатора в нормальных условиях может отличаться от номинальной на ‑20...+50 %.При понижении окружающей температуры емкость может уменьшаться почти вдвое, а при повышении температуры до предельного рабочего значения - возрасти на20...50 %.Параметры алюминиевых конденсаторов изменяются при повышении частоты переменной составляющей приложенного к ним пульсирующего напряжения: емкость на частоте5 кГцможет составлять несколько процентов номинальной емкости, а на частоте10 кГцконденсаторы практически теряют емкость. С понижением температуры и увеличением частоты переменной составляющей подводимого напряжения в алюминиевых конденсаторах резко возрастают потери.

К основным достоинствам алюминиевых конденсаторов относятся их сравнительно невысокая стоимость и возможность реализации больших емкостей (до нескольких тысяч микрофарад). Существенными их недостатками являются значительный ток утечки, большие потери (tg dможет достигать0,4, низкие точность и стабильность емкости, чувствительность к перенапряжениям и перепадам температур, малая допустимая величина переменной составляющей рабочего напряжения5...25%по отношению к номинальному напряжению на частоте50 Гц).

У танталовых конденсаторовди­электрическая проницаемость оксидного слоя примерно в три раза больше, чем у алюминиевых. Это позволяет значительно уменьшить их габариты. Танталовые конденсаторы более надежны в эксплуатации, имеют по сравнению с алюминиевыми лучшие характеристики. Их недостатками являются относительно высокая стоимость и невысокое рабочее напряжение, не превышающее150 В. Последнее объясняется меньшей допустимой напряженностью поля в оксидном слоеTa₂ O₅ по сравнению сAl₂ O₃.

Танталовые конденсаторы выпускаются с фольговыми, прово­лочными и объемно‑пористыми анодами, а также оксидно‑полупроводниковыми. Фольговые сухие конденсаторы по устройству ана­логичны сухим алюминиевым. Электролит состоит из смеси этиленгликоля с хлористым литием. Такой электролит имеет сопротивление примерно в500раз ниже, чем электролит алюминиевого конденсатора, и допускает рабочую температуру в пределах‑60...+100°С. В сухих танталовых конденсаторах небольшой емкости анод часто выполняется в виде нескольких витков проволоки. Емкость и tg dсухих конденсаторов незначи­тельно изменяются при понижении температуры до^‑60°С.

Благодаря химической инертности тантала оказалось воз­можным использовать в качестве электролита растворы кислот и щелочей, сохраняющие высокую проводимость на морозе. Жидко­стные танталовые конденсаторы имеют цилиндри­ческий анод, изготовленный из прессованного порошка танта­ла методом спекания в вакууме. Получаемая при этом пористая структура анода характеризуется большой активной поверхно­стью, способствующей увеличению удельной емкости конденсато­ра. Вывод анода является положительным полюсом конденсато­ра. Диэлектриком служит тонкая пленка Ta₂ O₅ на поверхности зерен объемно‑пористого анода - одной из обкладок. Роль вто­рой обкладки выполняет электролит (обычно это серная кисло­та). Анод подвешен на танталовой крышке, изолированной от двухслойного корпуса (внутренний слой - серебро, внешний - сталь) изоляционными прокладкой и кольцом. Соединенный с корпусом вывод является отрицательным полюсом конденса­тора.

Конденсаторы с объемно-пористым анодом успешно работают в интервале температур ‑60...+150°С, однако их частотные характеристики несколько хуже, чем у сухих танталовых кон­денсаторов.

Сравнительно не­давно появились оксидно‑полупроводниковыеконденсаторы, в ко­торых вместо электролита в качестве катода используется твер­дый электронный полупроводник - двуокись марганцаMn O₂, нанесенный на оксидный слой.

Танталовый анод (первая обкладка) в виде пористого цилиндра или проволоки покрывается полупроводниковым слоем двуокиси марганца, исполняющим роль второй обкладки конден­сатора. Слой двуокиси марганца служит источником кислорода, поддерживаю­щим наличие оксидного слоя Ta₂ O₅. С помощью проводящей се­ребряной пасты осуществляется электрический контакт слоя двуокиси марганца с корпусом конденсатора. В контакте с двуокисью марганца поверхность оксидного слоя обволакивается пленкой из кис­лородных ионов, что сопровождается образованием в нем области с дырочной проводимостью. На границе с металлом в оксидном слое возникает область с электронной проводимостью, а междуn‑ иp‑ областями появляется запорный слой. При обратном включении конденсатора в цепь или при снятии напряжения запор­ный слой разрушается.

Основной особенностью оксидно‑полупроводниковых конденсато­ров является возможность их использования при низких темпера­турах, вплоть до ‑80°С. Однако верхний предел рабочей темпера­туры не превышает+85°С. Уменьшение величины емкости при‑80°Ссоставляет13...15 %,а ее повышение при+85°С-12...13 %.При температуре20°Си частоте100 Гц tg d £0,06, а ток утечки при этом не превышает2 мкА. Таким образом, многие электриче­ские характеристики этих конденсаторов лучше, чем у жидких тан­таловых и тем более алюминиевых конденсаторов. Однако номинальное рабочее напряжение у них не превышает6...55 В, что объясняется пониженной электрической прочностью оксидного слоя.

Еще одной разновидностью оксидно‑полупроводниковых конден­саторов являются ниобиевые конденсаторы, в которых в качестве вентильного металла используется ниобий, наиболее близкий по характеристикам к танталу, но менее дорогой и не столь дефицитный. У оксидного слояNb₂ O₅ e = 45, но его электрическая прочность ниже, чем слояTa₂ O₅, и поэтому емкость ниобиевых конденсаторов лишь немного может превышать емкость танталовых. Другие электрические характеристики ниобиевых конденсаторов также несколько хуже, чем оксидно‑полупроводниковых танталовых.

Вариконды- конденсаторы с сегнетокерамическим диэлектриком. У таких диэлектриков величинаeв сильной степени зависит от напряженности приложенного к ним электрического поля. Следовательно, его емкость будет изменять­ся в зависимости от приложенного к конденсатору напряжения.

В качестве материала диэлектрика используются различные сегнетоэлектрики, содержащие титанаты бария и стронция с примесью окиси олова. По конструкции вариконды делятся на дисковые, пленочные (в том числе и тонкопленочные) и конденсаторы более сложной формы. Наиболее распространены варикон­ды дисковой формы диаметром 1,25 мми толщиной0,4...0,8 мм, по внешнему виду напоминающие дисковые керамические конден­саторы, но имеющие широкие плоские выводы. Номинальное значение емкости варикондов, определяемое при напряжении5 Ви частоте50 Гц, составляет10 пФ...0,2 мкФ, и эта емкость возрастает в четыре-шесть раз с увеличением приложенного к вариконду переменного напряжения. Снаружи ва­риконды обычно покрываются защитным лаком или компаундом красного цвета, а отдельные их типы - белой эпоксидной смолой. Вариконды некоторых марок у одного из выводов имеют голубую маркировочную точку.

Вариконды широко применяются в РЭА различных диапазонов волн, в диэлектрических усилителях, различных генераторах, умножите­лях и т.д.