Конструкция конденсаторов и используемые материалы

Конструкция конденсаторов в основном определяется экс­плуатационными и технологическими свойствами их диэлектриче­ского материала. Конденсатор как технологический узел представ­ляет собой совокупность конструктивных элементов определенной формы, изготовленных из специально подобранных материалов. Конструктивное оформление конденсатора зависит также от способа его установки в РЭС (монтаж объемный, монтаж печатный традици­онный, монтаж печатный поверхностный, монтаж в микросборку).

В конденсаторах с неорганическим диэлектриком использу­ются керамика, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамика и слюда. К ним же относятся конденсаторы с газообразным диэлектриком, в качест­ве которого может использоваться воздух, вакуум, сжатый газ (азот, фреон, элегаз¹).

Среди конденсаторов имеются группы низковольтных (номи­нальное напряжение менее 1600 В), высоковольтных, помехоподавляющих, низкочастотных и высокочастотных. В составе РЭС они

КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Керамические конденсаторы относятся к самым массовым ком­понентам РЭС. К их достоинствам следует отнести широкий диапазон номинальных емкостей, возможность изготовления конденсаторов с заданным температурным коэффициентом емкости, устойчивость к внешним воздействующим факторам, высокую надежность, доста­точно простую технология изготовления, низкую стоимость.

Рис. 8. Некоторые типы керамических конденсаторов:

а-трубчатый КТ-1: дисковые КД-1; КД-2; пластинчатый К10-7В; полупроводниковый К10У-5; б- схема подключение выводов к обкладкам трубчатого конденсатора

У керамических конденсаторов базовый конструктивный элемент изготовлен из керамики, на поверхность которой нанесены обкладки в виде металлических слоев. Форма керамического базового элемента, применяемого в конденсаторах этого типа, может быть трубчатой (мар­ки КТ-1; КТ-2; КТ-3; К10-38; КТП, КТИ), пластинчатой (КЮ-7В), дисковой (КД-1, КД-2, К1О-1Э, КД-29, К10-78), монолитной (К10-17, К10-27, К10-42, К10-43, К10-47, К10-49, К10-50, К10-60, К22-5), бочоночной (например, К15У-2, К15-9), горшкообразной (например, К15У-3).

К однослойным керамическим конденсаторам (используется всего один слой диэлектрического материала) относятся трубчатые, дисковые, пластинчатые, имеющие номинальную емкость от 0,47 пФ до 0,063 мкФ и номинальное напряжение до 800 В.

На рис. 8, а изображен внешний вид трубчатого, дисковых, пластинчатого и полупроводникового керамических конденсаторов и эскиз расположения обкладок трубчатого конденсатора (рис. 8, 6). Проволочные выводы припаяны к краям металлизированных обкла­док трубки, дисков и пластины.

Керамические конденсаторы с барьерным слоем и на основе полупроводниковой керамики имеют большую емкость, но значи­тельное изменение емкости в диапазоне температур (Н20-Н90).

Монолитные керамические конденсаторы, относящиеся к группе низковольтных и обладающие значительной удельной емко­стью, производят различными конструктивными вариантами В осно­ве своей они имеют монолитный блок (рис. 9), состоящий из чере­дующихся тонких (пластичных до обжига) керамических или стеклокерамических прослоек с нанесенными на них обкладками, спрессо­ванными при высокой температуре. Металлизация обкладок нано­сится до термообработки, а не после нее, как это обычно делается Толщина изоляционных прослоек 30..,50 мкм, удельная емкость при номинальном напряжении 50 В составляет 1 ...20 мкФ/см³. Монолит­ные конденсаторы могут иметь защитное покрытие эпоксидными смолами (марки К22-5; К10-17), пластмассовый корпус (марки К10-17, К10-43, К10-49, К10-50). К низковольтным керамическим кон­денсаторам относятся также КМ-3, КМ-4, КМ-5, КМ-6 К10-9 К10-23 К10-27, К10-28, К10-36, К10-42, К10-47, К10-52, К10-56, К10-57, номи­нальное напряжение 10...250 В.

Рис. 9. Модель керамической за- Рис. 10. Высоковольтные керамиче-

готовки монолитного конденсатора ские конденсаторы типов К15У-3

и К15У-1

Высоковольтные высокочастотные керамические конденсато­ры (рис. 10), которые применяют, в основном, в выходных каскадах мощных передатчиков, могут иметь форму плоскую (марки К15У-1, К15-2, К15-14), трубчатую (К15У-2, К16-11) и горшкообразную (К15У-3). Высоковольтные низкочастотные керамические конденсаторы ис­пользуют, в основном, в цепях постоянного тока (цепях питания). Их конструкция может предусматривать изоляцию (например, К15-4; K1S-5) или нет (К15-10). Емкость конденсаторов может достигать 15нФ, а номинальное напряжение 1,6. ..63 кВ.

К специальным керамическим конденсаторам относятся про­ходные и опорные конденсаторы (рис. 11), предназначенные обес­печивать в высокочастотных узлах РЭС, фильтрацию и блокировку сигналов помех с целью достижения электромагнитной совместимо­сти узлов и блоков. Конструктивно они могут быть снабжены резьбой для крепления к шасси с помощью гайки (например, КТП-1; КТП-2; КО-1; КО-2; КДО-1; КДО-2) или фланцем для пайки к поверхности эк­ранирующих перегородок корпуса (например, К10П-4). Номинальная емкость этих конденсаторов находится в пределах 3,9...15000 пФ, номинальное напряжение - 350...500 В.

Рис. 11 Проходной и опорный ке- Рис. 12.Подстроечные керамиче- рамические конденсаторы типов ские конденсаторы типов

КТП-1 и КО-1 КПК-1ИКПК-2

одстроечные керамические конденсаторы (рис. 12) состоят из статорной и роторной частей, выполненных из керамики с нанесен­ными обкладками. Они предназначены для осуществления регулировочно-наладочных работ технологического процесса производства РЭС, а также регулировок в период эксплуатации. Они могут быть вы­полнены несколькими конструктивными вариантами (например, КТ4-21; КТ4-23; КТ4-25; КПК; КТ17-КТ23; КТ2-50; КТ2-51) для различных способов крепления к плате печатного монтажа, в том числе бескор­пусные (например, КТ4-24; КТ4-27) для монтажа в микросборках.

СЛЮДЯНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

В слюдяных конденсаторах обкладками могут служить тонкая фольга (свинцово-оловянная, но чаще алюминиевая) или тонкий слой напыленного серебра. Пластины диэлектрика с обкладками набираются в пакет, обжимаются и затем опрессовываются пласт­массой. Конденсаторы с серебреными пластинами слюды позволяют избежать появления воздушных включений между поверхностями слюды и обкладки (рис. 13), что несколько снижает температурный коэффициент емкости и приближает его к линейной зависимости от температуры.

Достоинством слюдяных конденсаторов является повышенная добротность, стабильность емкости, высокая надежность, устойчи­вость работы при относительно больших реактивных мощностях (5...300 ВАР). К недостаткам относятся: невысокая удельная ем­кость, сложность технологических операций изготовления, относи­тельно большие масса и стоимость.

Слюдяные конденсаторы (рис. 14) изготавливаются несколь­ких типов - слюдяные опрессованные (К31У-3; К31П-5), слюдяные уплотненные (К31П-4; К31-10; К31-14), герметизированные (КСГ; СГМ, СГО, ССГ); опрессованные теплостойкие (К31-10 до +125°С).

Диапазон номинальных напряжений 250...7000 В, номиналь­ные емкости 51 пФ...0,2 мкФ, допустимые отклонения номинальных емкостей ±(2...20)%, температурный диапазон -60...+85°С.

Рис. 13. Схема соединений Рис. 14. Слюдяные конденсаторы

посеребренных обкладок слюдяного типов К31У-3 и К31-14

конденсатора

СТЕКЛЯННЫЕ И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Стекло (боросиликатное, щелочное) как диэлектрик конденса­тора является дешевым материалом, имеющим диэлектрические потери среднего уровня и, кроме того, позволяет изготавливать кон­денсаторы достаточно высокой электрической прочности (25...30 кВ/мм) при небольшой толщине слоя. Однако потери существенно возрастают при повышении температуры.

Исходным материалом диэлектрика конденсаторов этого типа является стеклоэмаль, которая наносится на металлический лист основания. После сушки стеклоэмали на ее поверхность через тра­фарет наносят слой серебряной пасты, далее снова создают ди­электрический слой стеклоэмали и (после сушки) серебряной пастой наносят заготовку следующей обкладки и т.д. После изготовления необходимого количества слоев заготовку конденсатора спекают (600...800°С) и разрезают. В результате получаются монолитные остеклованные пластинки в форме параллелепипедов, к которым после зачистки торцов припаивают электрические выводы (рис. 15). Толщина диэлектрического слоя 100...200 мкм.

Стеклянные конденсаторы по своим характеристикам доста­точно близки к слюдяным, но являются более теплостойкими. Изме­няя состав стекла добавками, можно управлять свойствами этого диэлектрика.

Рис. 15. Конструкций стеклянных Рис. 16. Стеклянные конденсаторы конденсаторов типов К21-8 и КС-1

К стеклянным и стеклокерамическим относятся конденсаторы следующих марок: КС-1; КС-2; КС-3; СКМ; К21-5; К21-7; К21-8; К21-9; К22У-1- К22-4- К22-5 (рис. 16). Номинальные емкости 9,1 пФ...0,12 мкФ; диапазон температур –б0...+125ºС (+200°С СКМ-Т); тангенс угла диэлектрических потерь .

КОНДЕНСАТОРЫ С ГАЗООБРАЗНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

Специфическую группу представляют конденсаторы с газооб­разным диэлектриком, которые по характеру изменения емкости бы­вают постоянными и переменными. Благодаря практической незави­симости газовой среды внутреннего объема постоянных конденса­торов этого типа (вакуумных и газонаполненных) от окружающей ат­мосферы, они отличаются высокой стабильностью характеристик во времени и малыми диэлектрическими потерями. Поэтому они при­меняются, в основном, в высокочастотных цепях генераторов пере­датчиков, работающих при высоких напряжениях 3 кВ (например, К61-16)...100 кВ (например, К61-18).

К вакуумный конденсаторам постоянной емкости относятся: К61-1: К61-3; К61-4; К61-5; К61-9; К61-16; К61-18; В; KB; BB; ВМ. Но­минальные емкости 10 пФ (К61-1)...500 пФ (К61-3); диапазон темпе­ратур -60°С (-10ºC для К61-18) ... +70...125°С (+200°С для К61-9); диэлектрические потери ; номинальный рабочий ток 5 А (для К61-16 при напряжении 3 кВ) ... 100 А (для К61-4 при напряже­нии 45 кВ).

Вакуумные конденсаторы переменной емкости (КП1-3; КП-ЗМ; КП1-4; КП1-6 ...КП1-9; КП1-10-КП1-13; КП1-16) обладают малым мо­ментом вращения и высоким коэффициентом перестройки емкости (например, коэффициент перестройки у конденсатора КП1-12 со­ставляет 120). Минимальная емкость 10 пФ (например, КП1-10)...1200 пФ (КП1-12); диапазон температур - 60 ... +70... +125 °С (+200°С для КП1-10); диэлектрические потери ; номинальный рабочий ток 15 А (для КП1-13 при напряжении 10 кВ ) ... 100 А (для КЛ1-6 при напряжении 45 кВ); масса 0,5 кг (КП1-8) ... 7 кг (КП1-6.)

Конденсаторы с воздушным диэлектриком представлены практически только конденсаторами переменной емкости и подстроечными конденсаторами.

Конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектри­ком применяются в составе РЭС для настройки колебательных кон­туров на заданную частоту, регулировки емкостной связи между вы­сокочастотными узлами, балансировки высокочастотных мостовых цепей, компенсации или подбора реактивной составляющей импе­данса электрической цепи (например, в измерительных устройствах и полосовых фильтрах).

Конструкция конденсатора переменной емкости предусматри­вает изменение емкости конденсатора вращением системы плоских обкладок (роторных пластин) относительно неподвижных статорных пластин, расположенных таким образом, что при настройке ротор­ные пластины входят в зазоры между статарными. Ротор может по­ворачиваться в подшипниках скольжения (конденсаторы бытовых РЭС и подстроенные конденсаторы) или шариковых подшипниках (специальные РЭС).

Рис.17. Трехсекционный кон­денсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком

На рис. 17 изображен трехсекционный конденсатор переменной ем­кости с воздушным диэлектриком, применяемый, главным образом, для перестройки сопряженных резонанс­ных контуров супергетеродинного при­емника (входная цепь приемника, вход преобразователя частоты, гетеродин).

В данной конструкции использу­ется вращательное перемещение под­вижной системы на угол θ относитель­но неподвижной в пределах 0...180⁰.

По закономерности изменения настройки колебательного кон­тура на частоту f с помощью переменных конденсаторов, их подраз­деляют на прямочастотные (кривая 1 на рис. 18) и прямоемкостные (кривая 2). При использовании прямочастотного конденсатора шкала настройки колебательного контура является равномерной.

Коэффициент перекрытия контура по частоте является отно­шением вида:

; откуда .

На рис. 9.19 приведена эквивалентная схема замещения конден­сатора переменной емкости, в которой: - переменная часть емко­сти конденсатора; - минимальная емкость; R_n- сопротивление потерь в проводящих частях конденсатора (0.01...0,02 Ом); R_M- со­противление изоляции конденсатора; L_c - индуктивность конденсато­ра, определяемая его конструкцией; R_конт - переходное сопротивление трущегося контакта (составляет 0,01...0,05 Ом). Емкость между элек­трическими выводами конденсатора является суммой:

.

Добротность конденсатора зависит от эквивалентного сопро­тивления его потерь: , где и составляет 500…5000 единиц, но может снижаться в несколько раз при повы­шении влажности окружающего воздуха.

Сопротивление изоляции R_из, между выводами конденсатора составляет 10⁹...10¹⁰ Ом и даже с потерей двух-трех порядков при повышении влажности окружающей среды слабо влияет на доброт­ность конденсатора.

Рис. 18. Частотная характеристика конденсатора переменной емкости: