Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Пассивные элементы электроники. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 94 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

ленного конденсатором заряда определяется по формуле: ,qCU где





q – электрический заряд [Кл];

C – емкость конденсатора [Ф]; U –

напряжение, приложенное к конденсатору, [В]. Из этой формулы следует, что конденсатор с емкостью напряжение

,U накапливает заряд

, к которому прикладывается

на одной пластине и q на дру-

гой пластине. При замыкании выводов конденсатора заряды на пластинах выравниваются, «взаимно уничтожаются». Конструктивно конденсатор представляет собой две проводящие пластины (называемые

обкладками), разделенные слоем диэлектрика, толщина которого

обычно мала по сравнению с размерами обкладок. Емкость конденсатора зависит от толщины диэлектрика и площади обкладок:

– емкость увеличивается при уменьшении толщины диэлектрика при неизменной площади обкладок;

– емкость увеличивается при неизменной толщине диэлектрика и увеличении площади обкладок.

Формула, описывающая

имеет следующий вид:

емкость плоского конденсатора [Ф],





, где  – диэлектрическая проницае-

мость среды, заполняющая пространство между пластинами (в вакууме равна единице);

8,85419·10 Ф/м; S – площадь пластин [м2]; d – толщина диэлек-

– электрическая постоянная, равная

трика [м].

Условное графическое обозначение показано на рис. 1.16.

Так как обкладки разделены слоем диэлектрика, постоянный ток через конденсатор не протекает (кроме тока утечки через диэлектрик). Тем не менее при подключении источника постоянного напряжения к конденсатору, не имеющему заряда,

Рис. 1.16. Условное графическое обозначение кон денсатора

приведет к протеканию тока в течение определенного

периода времени. Причины возникновения такой ситуации будут объяснены при рассмотрении простейших схем на основе резисторов и конденсаторов. Принято считать (и это фактически подтверждается практикой), что переменный ток через конденсатор протекает. Существуют разные способы объяснения этого факта. Например, возможна интерпретация с точки зрения математики. Один из способов

представления тока обозначает изменение заряда за опреде-

ленный промежуток времени:

ру эта формула принимает вид

 . Применительно к конденсато-

  .

()dQ d CU dU

dt dt dt

Эта формула также подтверждает тот факт, что через конденсатор точника постоянного напряжения равно нулю в течение любого промежутка времени, это значит, что и ток будет равен нулю. Но эта математическая формула не объясняет того, почему применяемый ток протекает через диэлектрик конденсатора. Для понимания процессов, обеспечивающих протекание электрического тока через конденсатор, можно тромагнитных волн. При наличии на проводнике переменного электрического заряда вокруг него возникает переменное электрическое поле. Переменное ременное менное магнитное поле снова порождает переменное электрическое поле и т.д. Переменное магнитное поле, воздействующее на проводник, порождает на нем переменный электрический сигнал. В процессе распространения электромагнитное поле испытает затухание, зависящее от материала и конфигурации диэлектрика. В упрощенном виде этот

обратиться к процессу образования и распространения элек-

магнитное поле с той же частотой. В свою очередь, пере-

процесс показан на рис. 1.17.

не протекает. Так как изменение напряжения у ис-

электрическое поле порождает в диэлектрике пе-

постоянный ток

Рис. 1.17. Процесс передачи энергии

через конденсатор

Таким образом, несмотря на то что ток будь то постоянный или пе-

ременный, через конденсатор не протекает, энергия переменного тока может передаваться через конденсатор в виде электромагнитной волны. Сопротивление конденсатора переменному току зависит от частоты сигнала и емкости конденсатора и описывается формулой

. Необходимо отметить, что при описании сопротивления

C

конденсатора не используют обозначение сопротивления для резистора – R. Это связано с тем, что указанное обозначение зарезервировано для сопротивлений, называемых активными.

лениями

называются такие элементы, у которых фаза тока в случае

Активными сопротив-

синусоидального сигнала совпадает с фазой напряжения. Элементы, применительно к которым это требование не выполняется, называются

реактивными элементами. Как известно из электротехники, ток че-

рез конденсатор сдвинут на 90° по отношению к приложенному напряжению. При этом ток через конденсатор опережает по фазе напряжение на конденсаторе. Для реактивных элементов в качестве обозначения сопротивления на переменном токе используется сим-

вол

, где символ в нижнем регистре обозначает тип элемента или

какую-либо другую особенность элемента. Естественно, что это – идеализированное представление, как будет показано при рассмотрении паразитных параметров пассивных электронных компонентов. В отличие от резисторов, у которых основным параметром является только сопротивление, у конденсаторов кроме емкости к основным парамет-

необходимо отнести максимально допустимое напряжение.

рам Этот параметр определяет, при каком напряжении конденсатор перестанет выполнять свои функции. Дело в том, что для всех диэлектриков существует такое физическое явление, как

пробой. Электрический

пробой – явление резкого возрастания силы тока в твердом, жидком или газообразном диэлектрике (или полупроводнике), возникающее при приложении напряжения выше критического (напряжение пробоя). Пробой может происходить в течение очень короткого времени

–8

(до 10

с) или установиться на длительное время (например, дуговой

разряд в газах). Для оценки возможности использования конденсатора в цепи переменного тока следует учитывать, чтобы действующее в этой цепи

амплитудное значение напряжения не превышало макси-

мально допустимого напряжения конденсатора.

В твердых телах различают три механизма пробоя.

1. Внутренний пробой, связанный с тем, что носитель заряда на

длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекул кристаллической решетки или газа и увеличивает концентрацию носителей заряда. При этом лавинообразно создаются свободные носители заряда (увеличивается концентрация электронов), которые вносят основной вклад в общий ток. Различают поверхностный пробой и объемный

пробой диэлектриков. У полупроводников существует разновидность поверхностного пробоя, так называемый шнуровой эффект.

2. Тепловой пробой, возникающий при разогреве кристаллической решётки диэлектрика или полупроводника. При увеличении температуры свободным электронам легче ионизировать атомы решетки, поэтому пробивное напряжение уменьшается. Разогрев может происходить как в результате теплопередачи извне, так и вследствие протека

ния переменного тока внутри диэлектрика.

3. Разрядный пробой, связанный с ионизацией адсорбированных

газов в пористых материалах, таких как слюда или пористая керамика. Находящиеся в порах газы ионизируются раньше, чем пробивается твердое вещество, возникающие при этом газовые разряды разрушают поверхность пор.

Очень часто после возникновения пробоя конденсатор безвозврат-

но прекращает выполнять свои

функции, т.е. перестает накапливать заряд, и между обкладками возникает электрическая связь. Из этого следует, что увеличение емкости конденсатора путем уменьшения толщины диэлектрика имеет свои пределы. Вторым способом увеличения емкости конденсатора является увеличение площади обкладок, но это увеличивает размеры и массу элемента. Ча-

Рис. 1.18. Многослойная

конструкция конденсатора

стично обойти это ограничение использование многослойной конструк-

позволяет

ции, как показано на рис. 1.18.

Но из формулы, описывающей зависимость емкости конденсатора от его конструктивных особенностей, следует, что на величину емкости также влияет материал диэлектрика, а именно диэлектрическая проницаемость среды, заполняющая пространство между пластинами. Для создания конденсаторов используются различные диэлектрики.

В первом приближении по типу диэлектрика конденсаторы разделяются на

ные

конденсаторы (обычно называемые

просто – конденсаторы) и

электролитические

конденсаторы. Особенность электролитических конденсаторов видна из их условного графического обо-

неполяр-

полярные или

Рис. 1.19. Условные графические изображения по лярных конденсаторов

значения, показанного на рис. 1.19.

Обычно электролитические конденсаторы используют в цепях постоянного или пульсирующего тока. Необходимо следить, чтобы полярность постоянной составляющей напряжения на обкладках электролитического конденсатора соответствовала маркировке. Несоблю-

дение этого требования приводит к выходу конденсатора из

строя. При необходимости электролитические конденсаторы можно использовать в цепях переменного тока или в

Рис. 1.20. Превращение двух полярных конденсаторов в один непо лярный

цепях с переменной полярностью напряжения парами, включая их последовательно, как показано на рис. 1.20. При этом общая емкость цепочки вдвое меньше емкости одного конденсатора.

Электролитические конденсаторы обладают большими значениями емкости при сопоставимых с обычными конденсаторами геометриче ских размерах. Их название отображает особенность конструкции. Основой положительной обкладки является металлическая фольга из алюминия, тантала или ниобия. Поверхность фольги покрывается оксидной пленкой, которая является диэлектриком и имеет очень маленькую толщину. Вторая обкладка также выполняется из фольги. Материал фольги второй обкладки конденсатора большого значения не

имеет. Между этими лентами из фольги помещается пористая перегородка, пропитанная жидким или гелеобразным

электролитом.

Обкладки в виде лент из фольги с прослойкой электролита между ними сворачиваются в рулон, как изображено на рис. 1.21.

Электролит – вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и

Рис. 1.21. Конструкция

электролитического

конденсатора

расплавах, или движения ионов в кристаллических решетках твердых электролитов. При этом химический состав электролита подбирается таким образом, что он постоянно восстанавливает оксидную пленку. При этом восстановление оксидной пленки происходит только при определенной полярности напряжения. При смене полярности приложенного напряжения на противоположное электролит, наоборот, начинает разрушать оксидную пленку, что приводит обкладками, разогреву электролита и, как следствие, –

денсатора

из-за закипания электролита. Взрыв может произойти и при

к замыканию между

взрыву кон-

превышении максимально допустимого напряжения конденсатора.

Для того чтобы уменьшить «поражающее действие» разлетающихся обломков корпуса конденсатора, на корпусах электролитических конденсаторов зачастую делают

насечки, по которым корпус легко

разрывается, сбрасывая давление. Конденсаторы большой емкости снабжают предохранительными клапанами.

Так как в процессе эксплуатации электролитических конденсаторов активно идут химические процессы, их

срок службы может быть мно-

го меньше, чем у обычных конденсаторов. Срок службы снижается изза повышенного ного протеканием значительных

нагрева электролитических конденсаторов, вызван-

импульсных токов. В конденсаторах,

работающих в импульсных преобразователях напряжения, со временем испаряется электролит, что увеличивает внутреннее сопротивление конденсатора, а это, в свою очередь, еще больше увеличивает нагрев. Возникает лавинообразный процесс, быстро приводящий к отказу конденсатора. Такая деталь часто имеет заметное на глаз

вздутие

донышка или потеки электролита, что облегчает обнаружение неисправности. Некоторые фирмы, выпускающие электролитические конденсаторы, предоставляют

разработчиков

, позволяющие выбрать наиболее подходящие конден-

справочные пособия для специалистов-

саторы в зависимости от условий эксплуатации и оценить примерный срок их службы. В качестве примера можно привести диаграмму из справочника по конденсаторам EPCOS [7] (рис. 1.22).

Разновидностью электролитических конденсаторов являются

ионисторы или суперконденсаторы. Своего собственного условного

графического обозначения ионисторы не имеют. Особенностью ионисторов является использование твердого электролита и обкладок, выполненных из пористых проводящих материалов, на которых образу-

двойной электрический слой ионов, играющий роль диэлектри-

ется ка. Вследствие большой суммарной площади пор обкладок очень

сильно увеличивается емкость ионистора. Значение емкости начинается с долей фарада и может достигать сотен фарад. Ионисторы применяются в качестве накопителей энергии, например, для резервного питания часов и энергонезависимой памяти, в качестве буферного элемента аккумуляторной батареи, повышающего стартерный ток в автомобиле, и т.д. Недостатками ионисторов являются

: низкое значение максимально допустимого напряжения, больший по сравнению с другими конденсаторами ток утечки, высокая цена, ограничение количества циклов заряда.

Рис. 1.22. Пример диаграммы для оценки среднего срока службы

из справочника по конденсаторам EPCOS

Подобно резисторам по конструктивному исполнению конденсато-

ры также изготавливаются в виде элементов для

навесного монтажа и

SMD элементов. Однако в отличие от резисторов маркировка кон-

денсаторов

более разнообразна и запутана. Во-первых, маркировка обычных (неполярных) конденсаторов может быть цифробуквенной и цветовой. Во-вторых, цифробуквенная маркировка может быть оформ-

лена в соответствии с правилами, унаследованными с времен СССР, или оформлена в соответствии с зарубежной традицией. В цифробуквенной маркировке цифры определяют основное значение емкости, а буквы – множитель и иногда десятичную точку. Отличия между отечественной и зарубежной маркировкой – в используемых буквах. В первом случае используются буквы русского алфавита, а

во втором – латинского. Например, микрофарады могут обозначаться: м, мк, мкФ, а также m, mk, mkF, μ. Нанофарады могут обозначаться: н, нФ или n, nF. Пикофарады обозначаются п, пФ или p, pF. Отсутствие буквы указывает, что приведенное значение дано в пикофарадах. В качестве примера: м10 – 0,1 микрофарад, 10n – 10 нанофарад, 22 – 22 пикофарады.

Однако к чисто цифровой маркировке нужно относиться

с осторожностью. Дело в том, что в настоящее время ряд производителей (как российских, так и зарубежных) использует чисто цифровую трехсимвольную маркировку. В этой маркировке первые две цифры показывают значение емкости в пикофарадах, а третья цифра обозначает количество нулей, которые должны быть добавлены к значению в пикофарадах.

Из это следует, что маркировка 470 обозначает 47 пикофарад, 103 = 10 000 пикофарад или 10 нФ, 225 = 2 200 000 пикофарад или 2,2 мкФ и т.д. В некоторых типах конденсаторов кроме значения емкости указывается величина максимального допустимого напряжения.

Необходимо помнить, что у SMD неполярных конденсаторов в отличие от резисторов МАРКИРОВКА ОТСУТСВУЕТ за очень редким исключением. Типоразмеры SMD неполярных конденсаторов

анало-

гичны SMD-резисторам и имеют следующие значения:

01005 – прямоугольник с размерами 0,4 × 0,2 мм;

0201 – прямоугольник с размерами 0,6 × 0,3 мм;

0402 – прямоугольник с размерами 1,0 × 0,5 мм;

0603 – прямоугольник с размерами 1,6 × 0,8 мм;

0805 – прямоугольник с размерами 2,0 × 1,25 мм;

1206 – прямоугольник с размерами 3,2 × 1,6 мм;

1210 – прямоугольник с размерами 3,2 × 2,5 мм;

1812 – прямоугольник с размерами 4,5 × 3,2 мм;

1825 – прямоугольник с размерами 4,5 × 6,4 мм;

2220 – прямоугольник с размерами

5,6 × 5,0 мм;

2225 – прямоугольник с размерами 5,6 × 6,3 мм.

Для электролитических конденсаторов кроме указания значения емкости маркировка всегда содержит значение максимального допустимого напряжения и указание на то, какой вывод является положи-

тельным или отрицательным. У советских электролитических конденсаторов (до 1990 года) обычно обозначается знаком «+» положительный вывод. У современных электролитических конденсаторов как российского производства, так и у зарубежных обозначается отрицательный вывод, как показано на рис. 1.23. Электролитические конденсаторы также могут иметь конструктивное исполнение типа SMD. SMD электролитические конденсаторы могут иметь цилиндрическую и

прямоугольную форму. Внешний вид SMD электролитических конденсаторов изображен на рис. 1.24.

Рис. 1.23. Обозначение полярности выводов

на электролитических конденсаторах

Рис. 1.24. Внешний вид SMD электролитических

конденсаторов

У SMD электролитических конденсаторов маркируется положительный вывод. В случае прямоугольной формы конденсатора положительный вывод обозначается широкой полосой на корпусе. Для цилиндрического конденсатора положительный вывод обозначается за-

крашенным участком на верхнем торце корпуса. При выборе типа конденсаторов с точки зрения конструктивного оформления необходимо помнить, что SMD электролитические конденсаторы на емкость более 470 мкФ не выпускаются. Это связано с тем, что при большем значении емкости возрастает собственный вес и момент инерции конденсатора, и прочность установки конденсатора на

печатную плату путем

припаивания к контактным дорожкам оказывается невысокой.

Существует

три варианта маркировки SMD электролитических

конденсаторов. Первый – самый простой вариант, когда емкость и максимально допустимое напряжение указываются цифрами. При этом емкость указывается в микрофарадах, а напряжение в вольтах. Например, 47 6,3 V означает, что конденсатор имеет емкость 47 микрофарад и максимально допустимое напряжение 6,3 В. Второй и третий вариант маркировки представляют собой комбинацию букв и цифр. Для определения, какой из

вариантов маркировки используется, применяют следующее правило: если после буквы стоит трехзначное число, то используется второй вариант маркировки. Если после буквы стоит вторая буква или количество цифр меньше трех, используется третий вариант маркировки. При

втором варианте маркировки первая цифра

обозначает максимально допустимое напряжение по следующему пра-

e – 2,5 В, G – 4 В, J – 6,3 В, A – 10 В, C – 16 В, D – 20 В, E – 25 В,

вилу:

V – 35 В, H(T) – 50 В. Первые две цифры обозначают емкость в пико-

фарадах, а третья цифра – количество нулей, которые необходимо поставить после первых двух цифр. Таким образом, маркировка А475 означает, что конденсатор имеет максимально допустимое напряжение 10 В и емкость 4 700 000 пФ, что соответствует 4,7 мкФ.

При использовании

третьего варианта маркировки SMD электро-

литических конденсаторов параметры определяют в соответствии с табл. 1.10.

Таблица 1.10

Параметры SMD электролитических конденсаторов

при третьем варианте маркировки

Код Емкость (мкФ)

A6 1,0 35 A7 10 4

AA7 10 10

Максимально допустимое

напряжение (В)

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 94 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]