Лекция №12

Типы конденсаторов

Основным критерием разделения конденсаторов по типам являются их частотные свойства, соответственно бывают ВЧ- и НЧ-конденсаторы.

ВЧ-конденсаторы постоянной емкости включают в себя керами-ческие (КЛГ, КЛС, КМ-6, КДУ, КДО, КТ, КТП, КВИ, К10, К21, К22), слюдяные (КСОТ,К31У-3Е), стеклоэмалевые и стеклянные (К21-7), стекло-керамические (К22-4) имеют малую паразитную индуктивность и незна-чительные потери в диэлектрике, имеют высокую стабильность (10^-51/°С) и точность (до ±2%), малые габариты и массу. ВЧ- конденсаторы применяют в схемах генераторов и усилителей СВЧ, ВЧ и промежуточной частот. Наибо-лее точные и стабильные ВЧ-конденсаторы используют как контурные, а остальные – в качестве разделительных, фильтровых и термокомпенсирую-щих. Типы ВЧ-конденсаторов и их характеристики приведены в таблице 7.5.

Параметры ВЧ-конденсаторов Таблица 7.5

Тип	Номинальная емкость	Допус-тимое откло- нение, ± %	ТКЕ·10-4, 1/ °С	Номиналь-ное напряжение, В
КЛГ	18 – 30000пФ	5; 10; 20; -20 ÷ + 80	- (47 ÷ 1500) Не нормируется	70 – 250
КМ-6	120 пФ – 2,2 мкФ	5; 10; 20; -20 ÷ + 50	+ 33 ÷ -1500 Не нормируется	25 – 50
КТ	1 – 10000пФ	5; 10; 20; -20 ÷ + 50	+ 100 ÷ -1300 Не нормируется	80 – 750
КД-2Е	3,9 – 100 пФ	2; 5; 10	+ 33 ÷ -1300	300 – 400
КТП	3,3 – 15000 пФ	10; 20	+ 120 – 1300	160 – 750
К10-26	1,2 – 274 пФ	1	0 ÷ ±30	50
К10-36	1500пФ – 3,3 мкФ	- 20 ÷ +50	Не нормируется	50
К10-42	1- 22 пФ	5; 10; 20	- 47	50
К10-50	22 пФ – 3,3 мкФ	5; 10; 20	0 ÷ ±30	10 – 25
К15-5	68 пФ – 0,01 мкФ	10; 20	Не нормируется	(1,6÷6,3)103
КСОТ	51 пФ – 0,01 мкФ	2; 5; 10	± (50 ÷ 200)	(0,25÷1)103
К21-7	120 – 3900 пФ	5; 10; 20	+ 120	50
К22-4	56 пФ – 0,01 мкФ	10; 20	+ 120	10

Номинальная емкость ВЧ-конденсаторов составляет единицы – сотни пикофарад, хотя предельная емкость некоторых из них может быть до 1 мкФ, поэтому их используют как разделительные и даже фильтровые.

Низкочастотные конденсаторы постоянной емкости используют в качестве фильтровых, блокировочных, разделительных в цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов низкой частоты. Такими конденсаторами являются бумажные и металлобумажные (группы К40, К42), пленочные (группы К71, К72, К73, К75, К76, К77) и в большей части электролитические и оксидно-полупроводниковые (группы К50, К52, К53). Параметры некоторых низкочастотных приведены в таблице 7.6.

Параметры низкочастотных конденсаторов Таблица 7.6

Тип	Номинальная емкость, мкФ	Допустимое отклонение, ± %	Номиналь- ное напря- жение, В	Интервал температур, °С
К40У-9	470 пФ – 1 мкФ	10; 20	200 - 1000	- 60 ÷ +125
К42П-5	0,01 – 1 мкФ	10	35	- 40 ÷ +50
К71-4	0,01 – 10 мкФ	2; 5; 10; 20	160; 250	- 60 ÷ +85
К71-5	0,01 – 1 мкФ	2; 5; 10	160	- 60 ÷ +85
К71-8	22 пФ – 0,1 мкФ	2; 5; 10; 20	63	- 60 ÷ +85
К72-9	0,01 – 2,2 мкФ	5; 10; 20	200;300;500	- 60 ÷ +200
К73П-3	0,05 – 1 мкФ	10; 20	160	- 60 ÷ +125
К73-16	0,1 – 0,22 мкФ	5; 10; 20	63 – 1600	- 60 ÷ +125
К75-24	0,01 – 10 мкФ	5; 10; 20	400 - 1600	- 60 ÷ +125
К76-5	0,47 – 5,6 мкФ	5; 10; 20	25	- 60 ÷ +125
К77-1	0,001 – 22 мкФ	0,5; 1; 2; 5	63 – 400	- 60 ÷ +125
К50-15	2,2 - 680	- 20 ÷ +50	6,3 – 250	- 60 ÷ +125
К52-1Б	3,3 – 680 мкФ	- 20 ÷ +80	6,3 – 450	- 60 ÷ +85
К53-4	0,47 – 100	10; 20; 30	6,3 – 20	- 60 ÷ +85
К53-27	0,47 – 330	10; 20; 30	6,3 – 40	- 60 ÷ +85

Конденсаторы группы К75 характеризуются высокими рабочими напряжени-ями (до 50 кВ).

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы об-ладают большими удельными емкостью и энергией они являются полярными, обычно корпус служит отрицательным выводом. Недостатком этих конденсаторов являются нестабильность параметров, зависимость емко- сти от температуры, ограниченный диапазон частот (постоянный и пульси-рующий низкочастотные токи). Поэтому их применяют как фильтровые, реже – как блокировочные.

Конденсаторы переменной емкости

Для перестройки рабочей частоты радиоприемника или радиопере-датчика изменяют индуктивность или емкость колебательного контура. Чаще изменяют емкость, для чего используют воздушные конденсаторы перемен-ной емкости. В зависимости от угла поворота роторных пластин относи-тельно статорных изменяется емкость между ними. При этом обычно варьируемой величиной является площадь пластин, а зазор остается неиз-менным. Применяют следующие виды конденсаторов: прямочастотные, прямоемкостные, прямоволновые, емкостно-логарифмические, частотно-логарифмические, при которых пропорционально углу поворота соответ-ственно изменяется частота контура, емкость, длина волны или по логарифмическому закону – емкость и частота.

Основной характеристикой конструкции переменных воздушных кон-денсаторов является зазор между пластинами, который выбирают из условий электрической прочности, стабильности, габаритов и возможностей технологии. Чем выше требуемая электрическая прочность и стабильность, тем больше зазор и тем больше габариты конденсатора.

Полупеременные конденсаторы предназначены для подстройки часто-ты радиоустройства при эксплуатации или для настройки контуров в процессе производства. Емкость этих конденсаторов в зафиксированном по- ложении не должна изменяться.

Полупеременные конденсаторы бывают воздушные и керамические. Воздушные полупеременные конденсаторы КПВМ, КТ-2, КТ4-27, конст-руктивно выполнены примерно так же, как воздушные переменные, но имеют меньшие зазоры и число пластин. Керамические полупеременные конденсаторы КПК-МП (малогабаритные для печатного монтажа), КТ4-20 (миниатюрные) имеют керамическое основание – статор, на котором сверху укреплен подвижный керамический тонкий ротор. Обкладки конденсатора выполнены в виде секторов из напыленного серебра на статоре и роторе. Вращая ротор отверткой, изменяют площадь перекрытия секторов-обкладок.

Конденсаторы специального назначения – это вариконды и варикапы. Вариконды представляют собой сегнетокерамические конденсаторы, исполь-зуемые для управления параметрами электрических цепей (частотой).

В варикапах используется изменение ширины базы р-п-перехода подачей переменного модулирующего напряжения при постоянном запирающем напряжении. В этом случае р-п-переход представляет собой конденсатор малой емкости (несколько десятков пикофарад) с возможными пределами её изменения на несколько единиц пикофарад. Варикапы исполь-зуются для частотной модуляции в диапазоне УКВ, а также для автопод-стройки частоты в схемах синтезаторов частоты передатчиков и приемников.

Интегральные пьезоэлектрические фильтры

Принцип действия интегральных пьезоэлектрических фильтров основан на локализации энергии в объеме пластины кварца или пьезокерами-ки либо на распространении поверхностной акустической волны вдоль нее.

В первом случае происходит «захват энергии» упругих колебаний по толщине пластины в результате преобразования электрических колебаний в механические и обратно. Металлизированные обкладки (электроды) пласти-ны вследствие волнового характера распространения колебаний представля-ют собой отдельные резонаторы. Амплитуда колебаний в фильтре максимальна в подэлектродной области и затухает по экспоненте вне её. Это позволяет разместить на одной пластине несколько изолированных друг от друга резонатоорв (многорезонаторный фильтр) и использовать акустичес-кую связь для создания необходимого коэффициента связи между ними, а следовательно, и требуемых полосы пропускания и коэффициента прямоуго-льности. Такие фильтры называют фильтрами упругих волн.

Во втором случае переменное по времени электрическое поле под каж-дым штырем-электродом гребенчатого преобразователя вызывает упругую деформацию, что приводит к распространению вблизи поверхности пласти-ны поверхностной акустической волны (ПАВ). С помощью штырей-электродов различной формы можно преобразовать сигналы, а также селек- тировать их. Малая скорость распространения ПАВ (на пять порядков мень-ше скорости распространения электромагнитных волн) позволяет конструировать фильтры сверхминиатюрного исполнения (фильтры ПАВ).

Основанием фильтров служит кварц, пьезокерамика или пьезокрис-таллы – ниобат и танталат лития, частотные постоянные k_m которых при сдвиговых волнах соответственно равны 1,66; 1,9; 2,1 МГц·мм. Толщину пла-стин для фильтров упругих волн выбирают из условия заданной частоты и возможностей технологии изготовления. Электрические характеристики фильтров ПАВ не зависят от толщины пластин, обычно равной 2 – 3 мм.

Центральная частота (МГц) фильтра упругих волн f_ОР k_m / h, где h – толщина пластины, мм. Поэтому верхний предел рабочей частоты определя-ется максимальной, приемлимой для производства толщиной пластины, а ни-жний – допустимыми размерами, совместимыми с размерами ИС. Так, квар-цевая пластина толщиной 50 мкм при f_ОР 2 МГц имеет максимальную частоту 40 МГц. Добротность интегральных кварчевых фильтров 10³ – 10⁴, стабильность частоты 5·10^-7 1/°С, полоса пропускания (Гц) при чисто актив-ной нагрузке Δ f_max = 3,6 f_ОР · 10^-3 / m² (где m - номер гармоники сигнала). Обычно полоса пропускания составляет десятые – сотые доли процента.

Добротность интегральных пьезокерамических фильтров в десятки раз ниже, чем у кварцевых, стабильность равна 5·10^-5 1/°С, и они более широкополосны (единицы процентов).

Электрические параметры фильтров ПАВ определяют по следующим формулам f_ОР = v / λ; Q = N, где – скорость, м/с, распространения ПАВ, м; (для пьезокристаллов она составляет (3÷4) ·10³ м/с); λ – длина волны ПАВ, м; N – число пар-штырей электродов в гребенчатом преобразователе фильтра. Верхняя частота ПАВ-фильтра может составлять единицы ГГц, однако они обычно применяются лишь в каскадах усилителей промежуточной частоты (УПЧ) на частотах не более 200 МГц, так как использование их в усилителях радиочастоты (УРЧ) нерационально из-за плохой чувствительности к малым сигналам. Нижняя частота определяется ограничениями по площади фильтра и составляет единицы – десятки мегагерц. Добротность фильтров ПАВ – не более 1000, а полоса пропускания – единицы – десятки процентов.

Катушки индуктивности высокой частоты

Катушки индуктивности высокой частоты выполняются в виде обмоток и предназначены для концентрации ВЧ электромагнитного поля.

По назначению различают контурные катушки индуктивности, катушки связи, вариометры и дроссели высокой частоты.

По конструктивному исполнению катушки быывают бескаркасные и с каркасом, с сердечником или без него, экранированные и неэкранированные, однослойные и многослойные, цилиндрические, плоские и тороидальные, а в зависимости от технологии изготовления – вожжённые, намотанные, печатные и тонкопленочные.

Катушки индуктивности высокой частоты являются нестандартными изделиями, поэтому в каждом конкретном случае применения их конструкцию рассчитывают по заданным электрическим параметрам, основными из которых являются номинальная индуктивность и допуск на нее, добротность, температурная стабильность и собственная емкость.

Номинальная индуктивность катушки зависит от диапазона волн, в ко-тором её применяют. Так, для диапазона УКВ она составляет десятые – сотые доли микрогенри. Индуктивность дросселей, предназначенных для умень-шения ВЧ-тока в какой либо цепи, составляет десятки миллигенри.

Индуктивность (мкГн) катушки рассчитывают по формуле:

L=L₀ DN ² ·10 ^-3, где L₀ – безразмерный коэффициент, зависящий от соотноше-ния l/D, т.е. от формы катушки; D - диаметр каркаса, см; N- число витков; l - длина намотки, см. Зависимость коэффициента L₀ от соотношения l/D для однослойных катушек показана на рисунке 9,1,а. На рисунке 9.1,б

а) б)

Рисунок 9.1

представлены аналогичные зависимости для многослойных катушек при вариации соотношения t /D, где t – глубина, см, намотки; а D₀ = D +2t – её наружный диаметр, см; (D – диаметр каркаса, см).

Допуск на индуктивность зависит от назначения катушки. Так, контур-ные катушки имеют допуск на индуктивность ± (0,2 ÷ 0,5)%, а катушки связи и ВЧ-дроссели ± (10 ÷ 15)%.

Контурные катушки должны иметь элемент подстройки для регули-рования индуктивности катушки в пределах ±15%. Таким элементом является вводимый в катушку подстроечный сердечник из магнитного и диа- магнитного иатериала различной формы.

Индуктивность катушки с магнитным сердечником увеличивается в μ_с раз: L_с = μ_с L, где L – индуктивность катушки без сердечника, Гн; μ_с = (0,25 ÷ 0,5) – действующая магнитная проницаемость сердечника, зависящая от магнитных свойств его материала и формы. Коэффициент 0,25 характерен для цилиндрических сердечников, а 0,5 – для броневых.

Применение сердечников из магнитных материалов (карбонильное же-лезо, альсифер, магнетит, ферриты) позволяет уменьшить число витков кату-шки. В катушках на частоты выше 20 МГц магнитные сердечники не целесо- образны, т.к. с ростом чатсоты μ уменьшается. Поэтому для подстройки таких катушек применяют латунные или алюминиевые сердечники, позволя-ющие регулировать их параметры в пределах ± 5%. Индуктивность катушек зависит от геометрии и материала экрана.

Экраны, устраняющие паразитные связи между каскадами, выполняются в виде металлических колпаков круглой или прямоугольной формы, надеваемых на катушки. Сущность экранирования заключается в следующем: магнитное поле катушки наводит в поверхностном слое экрана вихревые токи, которые создают поле обратного направления. Если толщина экрана больше поверхностного слоя проникновения вихревых токов (глубины проникновения), взаимодействие поля катушки с полями других источников и приемников наводимых связей исключается. Для устранения возможных емкостных связей экран тщательно заземляют. Толщина экрана обычно составляет 0,5 – 1 мм.

Добротность катушек при заданных индуктивности и рабочей частоте определяется суммарным сопротивлением потерь в них, которые склады-ваются из сопротивления провода обмотки току ВЧ; сопротивлением элек-трических потерь в каркасе и изоляции провода обмотки; сопротивлением потерь, вносимых экраном и сердечником. Добротнотсь применяемых в радиоаппаратуре катушек индуктивности от 30 до 300.

Температурная стабильность катушек определяется изменением их индуктивности L и добротности Q под действием температуры. В зависимо-сти от температуры изменяются длина и диаметр каркаса катушки. Темпера-турная стабильность катушек количественно оценивается температурным коэффициентом индуктивности ТКИ и коэффициентом температурной неста-бильности индуктивности КТНИ. Их значения вычисляются по формулам: ТКИ = Δ L/(L₀ Δ L_t); КТНИ = 100% (L¹₀ – L₀ )/ L₀, где L₀ – индуктивность при 20°С, Гн; – изменение индуктивности при изменении температуры Δt, Гн;

L¹₀ – индуктивность при 20°С, получаемая после проведения нескольких циклов изменения температуры в заданном рабочем диапазоне, Гн.

Однослойные катушки с керамическим либо полистироловым каркасом имеют ТКИ (50 ÷100) ·10^-6 1/°С, а многослойные катушки (100÷200) ·10^-6 1/°С.

Для увеличения температурной стабильности в общем случае следует выпол- нять каркас с малым КТР (керамика), обеспечивать плотное сцепление провода с каркасом (горячая намотка или вжигание серебраной дорожки в керамический каркас). При этом можно получить ТКИ = (5 ÷10) ·10^-6 1/°С.

Собственная емкость катушек складывается из емкости между витка-ми через диэлектрик каркаса или изоляцией провода и емкость между витка-ми через воздух. Собственная емкость катушек определяется также видом намотки и числом витков. Так, собственная емкость однослойных катушек с шагом намотки 0,5 – 1,5 пФ, однослойных сплошных 3 – 5 пФ, катушек с на-моткой типа «универсаль» 5 – 9 пФ, а многослойных рядовых 20 – 30 пФ.

Частотные свойства катушек индуктивности. На рисунке 9.2 показана модель сосредоточенного импеданса для реальных катушек индуктивности. Здесь L – номинальная индуктивность, R_P – сумма сопротивлений утечки и сердечника, R_S – сопротивление витков, C_P – паразитная емкость, обуслов-ленная внешними выводами катушки и её конструктивными особенностями. Cемейство кривых зависимости импеданса реальных катушек от частоты приведено на рисунке 9.3.

Рисунок 9.2 Рисунок 9.3

Обычно R_P очень велико, а R_S очень мало, в таком случае можно пользоваться выражениями для расчета импеданса, приняв значение критической частоты f_c =1/[2π(LC_Р) ^{1/ 2}].

/ Z / 2πfL при R_S /2πL ≤ f ≤ f_С /3,

/ Z / = [(L / R_S C_P) ² + L /C_P ] ^1/2 при f = f_С ,

/ Z / (2πf /С_Р) ^{- 1} при f ≥ 3 f_{С .}

Обычно у ВЧ-катушек R_S заключено в пределах 0,2 < R_S < 5 Ом, а паразитная емкость – в пределах 1,5 пФ < С_Р < 4 пФ.

Вариометр – это катушка, в которой предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки частоты контуров. Принцип действия вариометра основан на изменении коэффициента связи между двумя катушками при их вращении или посту-пательном движении. Первый случай характерен для передающих устройств СВЧ. В зависимости от совпадения или противоположного направления маг-нитных полей роторной и статорной катушек, соединенных последовательно, их общая индуктивность будет максимальна либо минимальна:

L_max = L₁+L₂ +2M;

L_min =L₁+L₂ - 2M ,

где L₁ и L₂ – индуктивности статора и ротора, Гн; М – взаимная индуктивность между ними, Гн.

Коэффициент перекрытия частоты вариометра в зависимости от ин- дуктивности k = L_max / L_min. Для подобных конструкций k = 4 ÷ 5.