теория

стабильность. Однако в некоторых типах конденсаторов, например с керамическим диэлектриком, имеется возможность управлять стабильностью при действии температуры. Тогда конденсаторы классифицируются также по ТКЕ, который определяется выражением

температура.

Керамические конденсаторы разделяются на 16 групп по ТКЕ, имеющим значения от (-2200+−500300)∙10−6 до (+120 ± 30)∙10−6. Приведем примеры обозначения

где t - время; C0 - значение емкости непосредственно после

изготовления.

Часто стабильность конденсаторов в зависимости от времени характеризуется граничными значениями емкости. Параметры конденсаторов из-за больших отклонений свойств диэлектриков как в начальный момент, так и во времени являются случайными величинами, и их следует описывать вероятностными характеристиками.

При длительном функционировании и изменении температуры изменяются также tgδ и RИЗ. С повышением температуры от +20 до +60 °С сопротивление RИЗ изменяется в 10 раз и более.

Важными конструктивными особенностями и параметрами конструкции конденсаторов являются также: габариты, масса (возможность их уменьшения определяется достижимой удельной емкостью); способность нормально функционировать при механических воздействиях; интервал рабочих температур; метод крепления; частота механического резонанса при использовании для крепления выводов (определяется расстоянием от места пайки до тела конденсатора, допустимым минимальным расстоянием от тела конденсатора до точки, где допускается изгиб выводов); способ влагозащиты и конструкция дополнительной герметизации; надежность и способность к длительному функционированию при наличии внешних воздействий.

Параметры конденсаторов приводятся в ТУ и ГОСТ. Выбор типа конденсатора в каждом конкретном случае должен осуществляться с учетом, как его электрических параметров, так и конструктивных особенностей и стоимости.

141

Конденсаторы постоянной емкости. Основные характеристики конденсаторов определяются следующими элементами конструкции: диэлектрическими прокладками в виде воздушного промежутка, пленки или ленты; проводящими обкладками, на которых накапливается заряд; элементами соединения обкладок и прокладок; выводами и элементами их соединения с обкладками; элементами, обеспечивающими защиту от влаги; элементами механического соединения диэлектрических прокладок, обкладок, выводов и элементов влагозащиты; элементами, обеспечивающими крепление в аппаратуре.

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика используется керамика. Известно, что керамические материалы обладают разными диэлектрическими проницаемостями и стабильностями, т. е. отличающимися температурными коэффициентами диэлектрической проницаемости. Как правило, увеличение диэлектрической проницаемости сопровождается ухудшением стабильности, поэтому в керамических конденсаторах разной емкости используются материалы с разными температурными коэффициентами.

Диэлектрическая прокладка в керамических конденсаторах не только определяет электрические свойства конденсатора, но и, будучи механически достаточно прочной, является их конструкторско-механической основой. Поэтому целесообразно, чтобы обкладки были непосредственно связаны с керамикой, например, в виде проводящих пленок на керамическом основании. Соединение обкладок с выводами иногда производится с помощью дополнительных механических креплений, что важно, когда выводы используются для крепления конденсатора в аппаратуре.

Важнейшим вопросом, который должен быть решен при конструировании конденсаторов, является защита от действия влаги. Как известно, многие керамические материалы обладают высокой влагостойкостью (т. е. их свойства мало изменяются при длительном действии влаги) и поэтому находят широкое применение в конденсаторах. Благодаря хорошему сцеплению обкладок с керамической прокладкой практически отсутствует проникновение влаги в промежутки между ними. Поэтому для влагозащиты керамического конденсатора принимают сравнительно простые меры. В большинстве случаев какими либо технологическими методами на поверхность собранного конденсатора осаждают или наносят пленку из материала с хорошими изоляционными свойствами и малой гигроскопичностью. В результате удается гарантировать работу конденсаторов при влажности до 98 ...

100 % при температуре до +150°С. За последние годы получили широкое распространение монолитные многослойные керамические конденсаторы, в том числе в аппаратуре на ИС. Такие конденсаторы называются бескорпусными.

142

Таблица 10.3. Размеры и некоторые параметры конденсаторов К10-17

Для использования совместно с ИС они могут выпускаться без проволочных выводов в виде таблеточной конструкции. Выпускаются конденсаторы, специально предназначенные для гибридных интегральных микросхем. Обычно это керамические конденсаторы, которые устанавливаются в микросхему. Корпус конденсатора крепится к плате путем приклейки или пайки непосредственно к контактным площадкам платы (подложки). Например, применяются конденсаторы типа К10-9 (рис. 10.6) в двух вариантах исполнения: для луженых и нелуженых контактных поверхностей. Размеры и некоторые параметры этих конденсаторов даны в табл. 10.3.

Рис. 10.6. Конструкции безвыводных конденсаторов

Перспективными являются конденсаторы типа К10-17, один из вариантов конструкции которых показан на рис. 10.7. Характеристики конденсаторов данного типа приведены в табл. 10.5.

В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрической прокладки используется тонкий слой оксидной пленки с высокими изоляционными свойствами. Пленки некоторых металлов, например, алюминия, тантала, обладают необходимыми диэлектрическими свойствами для использования их в конденсаторах.

143

сложную механическую конструкцию. Поэтому для малогабаритной РЭА они применяются ограниченно.

В некоторых типах конденсаторов емкость зависит от приложенного напряжения, что является паразитным эффектом. Однако иногда требуется, чтобы емкость конденсаторов возможно больше изменялась при изменении приложенного напряжения. При этом конденсатор может выполнять функции нелинейного реактивного сопротивления для изменения формы или генерирования специальной формы напряжения. Этот эффект можно также использовать для настройки цепей, содержащих емкости, если изменять постоянное напряжение, приложенное к конденсатору, при условии, что переменное напряжение на нем намного меньше постоянного.

Напомним, что емкость конденсатора пропорциональна площади обкладок, диэлектрической проницаемости прокладки и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Электрическими методами емкость можно изменять, меняя либо диэлектрическую проницаемость, либо расстояние между обкладками. Существуют материалы, диэлектрическая проницаемость которых существенно зависит от напряженности электрического поля. Это сегнетоэлектрики или сегнетокерамика. Конденсаторы на основе этих материалов называют варикондами, их конструкция аналогична конструкции керамических дисковых конденсаторов. Диаметр диска изменяется от 2 до 25 мм, максимальная емкость - от 650 пФ до

0,095 мкФ.

Хотя емкость варикондов может изменяться в значительных пределах (примерно в 2—5 раз), они не получили применения как элементы настройки, так как имеют низкую стабильность емкости. На рис. 10.11 приведена зависимость tgδ от температуры для вариконда типа ВК-2 при напряженности поля 5 В/мм и частоте 1000 Гц.

Изменять емкость путем воздействия на расстояние между обкладками конденсатора электрическим методом можно в конденсаторах на основе р-п перехода.

Рис. 10.11. Зависимость tgδ от температуры для вариконда типа ВК-2.

При изменении запирающего напряжения UЗ изменяется ширина р-п перехода d в соответствии с выражением

146

При этом

где S – площадь перехода.

Конденсаторы такого вида называются варикапами. При конструировании варикапов основная трудность состоит в том, чтобы найти материалы и режимы работы р-п перехода, при которых они имели бы высокую добротность QС (или малый tgδ) и высокую стабильность емкости αС при изменении температуры. У серийно выпускаемых варикапов получены значения αС = (100 ... 200)∙10−6 1/°С и Q = 50 ... 100. Добротность варикапов существенно зависит от частоты и температуры.

Емкость варикапов при номинальном напряжении 4 В составляет 30 ... 40 пФ и уменьшается при максимальном напряжении 40 ... 80 В в 3—4 раза. Благодаря малым размерам, высокой добротности, стабильности и значительному изменению емкости при изменении постоянного напряжения варикапы нашли широкое применение в аппаратуре для настройки контуров и фильтров как элементы управления частотой генераторов и т. п. Они могут быть использованы для тех же целей, что и вариконды.

Конденсаторы с электрически управляемыми емкостями имеют значительно более высокую удельную емкость, чем конденсаторы с воздушным диэлектриком, и в них нет механически перемещаемых деталей. Поэтому они являются перспективными элементами для настройки и перестройки.

10.6.2. ПРИМЕНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ ПОСТОЯННОЙ И ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТИ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ РЭА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ.

Требования к конденсаторам при их выборе для РЭА существенно зависят от тех функций, которые они выполняют. Наиболее широко конденсаторы применяются для фильтрации в цепях питания, т. е. для уменьшения связи цепей через источник питания, уменьшения помех, проникающих в аппаратуру по цепям питания, и уменьшения пульсации напряжения питания.

Для обеспечения фильтрации в цепях питания конденсаторы используют вместе с резисторами и катушками индуктивности, Простейшим фильтром нижних частот является RС-цепочка. Улучшить характеристики фильтра можно увеличением номиналов резисторов практически без изменения их массы и габаритов. Однако это можно сделать только в определенных пределах, так как значения сопротивлений часто ограничиваются режимом по постоянному току, тогда необходимое фильтрующее действие достигается в результате увеличения емкости. При этом основное требование к конденсаторам сводится к получению возможно большей емкости при обеспечении заданного рабочего напряжения. Требования к стабильности и

147

потерям в этом случае невысокие, но необходимо, чтобы в области частот, где нужна фильтрация, конденсатор обладал малым реактивным сопротивлением. Для этих целей широко используются бумажные, керамические и электролитические конденсаторы.

Конденсаторы нашли также широкое применение в радиочастотных фильтрах, как активных (RC), так и пассивных (LC). Для достижения основных требований высокой стабильности и малых потерь используются стабильные керамические, а также слюдяные и стеклоэмалевые конденсаторы.

Общие свойства конденсаторов, которые следует учитывать при их выборе, иллюстрируются рис. 10.12, 10.13. На рис. 10.12 приведены значения емкостей в зависимости от типа конденсатора. На рис. 10.13 показаны области частот, в которых используются конденсаторы разных типов.

Рис. 10.12. Значения емкостей в зависимости от типа конденсатора.

Широкое применение ИС изменило роль дискретных конденсаторов постоянной емкости. Действительно, многие конденсаторы, наличие которых определяется схемой, могут быть изготовлены в гибридных и полупроводниковых ИС. Однако гибридные и полупроводниковые ИС реализуют ограниченные значения емкости: 10000 пФ для гибридных ИС, 400 пФ для полупроводниковых ИС.

Рис. 10.13. Области частот, в которых используются конденсаторы разных типов.

В настоящее время изменились требования и конструкции конденсаторов

148

и особенно важным стало применение керамических конденсаторов, имеющих емкость до 10 мкФ, и электролитических (оксидно-полупроводниковые, танталовые, алюминиевые), имеющих емкость более 10 мкФ.

Дальнейшее совершенствование монолитных конденсаторов связано с уменьшением габаритов и увеличением емкостей, а электролитических - с повышением рабочих частот.

Подстроечные конденсаторы и конденсаторы переменной емкости (с электрически управляемой емкостью) будут применяться и в перспективной аппаратуре на ИС, так как пока они не реализуются методами микроэлектроники. Их конструкции стали более совершенными. Например, выпускаются подстроечные керамические конденсаторы диаметром 5 мм и высотой 2 мм, обеспечивающие регулировку емкости в пределах 0,5 ... 40 пФ.

Следует ожидать значительного развития и совершенствования методов разработки и контроля, оценки качества и надежности конденсаторов. На всех этапах разработки, производства и использования конденсаторов большие возможности открывает применение ЭВМ. Совершенствованию технологии и изучению свойств конденсаторов может способствовать использование методов планирования эксперимента, которые подробно изложены в специальной литературе. Значительное улучшение качества и надежности конденсаторов будет достигнуто в результате использования методов индивидуального прогнозирования качества.

10.7. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Для создания катушек индуктивности используется эффект взаимодействия магнитного поля и переменного тока. Коэффициент пропорциональности между переменным напряжением и током с учетом частоты ω имеет смысл реактивного сопротивления jωL, где L — коэффициент пропорциональности. Для увеличения индуктивности провод, по которому протекает ток, наматывают в виде катушки. При этом добавляется взаимная индуктивность между витками и индуктивное сопротивление, т. е. значение L увеличивается. Индуктивность является основным параметром катушки.

Катушки используются в РЭА как дроссели для перераспределения переменного тока по цепям и создания индуктивной связи между цепями. При их использовании вместе с конденсаторами образуются колебательные контуры, входящие в состав фильтров и генераторов высокочастотных колебаний. Следует подчеркнуть, что под катушками индуктивности будем понимать те индуктивные элементы, которые работают в диапазоне радиочастот примерно от 100 кГц и выше.

Для классификации радиочастотных индуктивных элементов можно использовать разные признаки: наличие или отсутствие сердечника, характер намотки — однослойная (с шагом или без шага) или многослойная (рядовая, универсальная, в навал), рабочую частоту, количество обмоток, наличие или отсутствие каркаса, наличие или отсутствие экрана и т. д.

В катушке индуктивности помимо основного эффекта – индуктивности -

149

наблюдаются и паразитные. Схема замещения (рис. 10.14) катушки отображает ее основные свойства и содержит не только основной параметр, индуктивность L, но и ряд дополнительных: индуктивность выводов (учтены в L); собственную емкость, обусловленную наличием обмотки, выводов, сердечника и экрана СL; сопротивление, отображающее потери в емкости RC , сопротивление, зависящее от потерь в катушке RL.

Рис. 10.14. Схема замещения катушки индуктивности

Индуктивность катушки, мкГн, может быть рассчитана по формулам

10.15); d — диаметр провода обмотки (2 на рис. 10.15); W— количество витков.

где D — наружный диаметр катушки, см; DСР — средний диаметр катушки, см; b — глубина намотки, см.

Важным параметром катушки при ее применении в колебательных контурах является добротность, характеризующая относительный уровень активных потерь в ее обмотке, собственной емкости, сердечнике и экране:

150