Конденсаторы

Электрические конденсаторы - наиболее массовые после резисторов изделия, широко используемые в радиоэлектронной аппаратуре. В связи с быстрым развитием современной электроники потребность в конденсаторах непрерывно возрастает. В настоящее время создана довольно широкая номенклатура этих изделий и продолжают разрабатываться новые типы с более высокими электрическими и эксплуатационными характеристиками.

Электрический конденсатор - это система из двух или более проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, предназначенная для создания электрической емкости между обкладками.

Емкость конденсатора - отношение его заряда к разности потенциалов, которую заряд сообщает ему (конденсатору):

С = q/u, где С - емкость, Ф; q - заряд, Кл; u - разность потенциалов на обкладках конденсатора, В.

За единицу емкости в международной системе СИ принимают емкость такого конденсатора, потенциал которого возрастает на один вольт при сообщении ему заряда один кулон (Кл). Эту единицу называют фарадой (Ф). Для практических целей она слишком велика, поэтому на практике используют более мелкие единицы емкости: микрофарады (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ)

1Ф = 10⁶ мкФ = 10⁹ нФ = 10¹² пФ. Для конденсаторов, обкладки которого представляют собой плоские пластины одинакового размера, разделенные диэлектриком, емкость (Ф) в системе СИ определяется из выражения

С = ε₀ε_rS/d,

где ε₀- электрическая постоянная вакуума, равная 8,85*10^-12 Ф/м; ε_r -относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (величина безразмерная); S - площадь пластины, м²; d - толщина диэлектрика, м.

При подключении к обкладкам электрического напряжения в диэлектрике происходит процесс поляризации, заключающийся в ограниченном смещении зарядов или ориентации электрических диполей в электрическом поле. В зависимости от строения диэлектрика в поляризации могут участвовать электроны, ионы, диполи, ядра, отдельные области заряженных частиц (домены), полярные группы молекул. В реальных диэлектриках, как правило, всегда имеет место несколько разных видов поляризации, хотя преобладающим может быть один вид.

В качестве диэлектрика в конденсаторах используются органические и неорганические материалы, в том числе оксидные пленки некоторых металлов. Значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых материалов, используемых в конденсаторах приведены в табл.2.

Таблица 2

Относительные диэлектрические проницаемости

некоторых материалов

Материал	εr	Материал	εr
Воздух	1,0006	Конденсаторная бумага	3,5-6,5
Кварц	2,8	Триацетат и ацетобутират	3,5-4
Стекло	4-16
Слюда	6-8	Поликарбонат	2,8-3
Стеклоэмаль	10-20	Полиэтилнтерефталат (лавсан)	3,2-3,4
Стеклокерамика	15-450
Керамика	12-230	Полистирол	2,5
Сегнетокерамика	900 - 8000	Полипропилен	2,2-2,3
		Политетрафторэтилен (фторопласт)	2-2,1
		Оксидные пленки	10-46

Классификация конденсаторов

Чаще всего на практике пользуются двумя классификациями: одной общей (рис.11), в которой ряд признаков присущ не только конденсаторам, но и многим другим электронным компонентам (или элементам ИС), например, по назначению, по способу защиты, по способу монтажа и т.п., и второй - относящейся только к конденсаторам (рис.12).

В основу ее положено дальнейшее деление групп конденсаторов по виду диэлектрика на подгруппы, связанные с использованием их в конкретных цепях аппаратуры, назначением и выполняемой функцией, например, низковольтные и высоковольтные, низкочастотные и высокочастотные, импульсные и пусковые, полярные и неполярные, помехоподавляющие, дозиметрические и др.

В зависимости от назначения конденсаторы делят на две большие группы: общего и специального назначения.

Рис.11. Общая классификация конденсаторов; ЭУ - электронное устройство

Рис.12. Классификация конденсаторов по виду диэлектрика и области применения

Группа общего назначения включает в себя широко применяемые конденсаторы, используемые практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ней относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования.

Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся: высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и др.

По характеру изменения емкости различают конденсаторы постоянной емкости, переменной емкости и подстроечные (см. рис.11).

Из названия конденсаторов постоянной емкости вытекает, что их емкость является фиксированной и в процессе эксплуатации не регулируется.

Конденсаторы переменной емкости допускают ее изменение в процессе функционирования аппаратуры. Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Их применяют для плавной настройки колебательных контуров, в цепях автоматики и т.п.

Емкость подстроечных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки, регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение емкости и т.п.

В зависимости от способа сборки и монтажа конденсаторы могут выполняться для сборки и монтажа в составе ячеек, микромодулей и микросхем или для сопряжения с ними. Выводы конденсаторов для традиционных сборки и монтажа могут быть жесткие или мягкие, аксиальные или радиальные из проволоки круглого сечения или ленты, в виде лепестков, с кабельным вводом, в виде проходных шпилек, опорных винтов и т.п. У конденсаторов для микросхем и микромодулей, а также СВЧ - устройств, (микросборок, микромодулей) конденсаторов в качестве выводов могут использоваться части их поверхности. У большинства типов оксидных, а также проходных и опорных конденсаторов одна из обкладок соединяется с корпусом, который служит вторым выводом.

В зависимости от характера защиты от внешних воздействующих факторов конденсаторы выполняются: незащищенными, защищенными, неизолированными, изолированными, уплотненными и герметизированными.

Незащищенные конденсаторы допускают эксплуатацию в условиях повышенной влажности только в составе герметизированной аппаратуры. Защищенные конденсаторы допускают эксплуатацию в аппаратуре любого конструктивного исполнения.

Неизолированные конденсаторы (с покрытием или без покрытия) не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры. Напротив, изолированные конденсаторы имеют достаточно хорошее изоляционное покрытие (компаунды, пластмассы и т.п.) и допускают касания корпусом шасси или токоведущих частей аппаратуры.

Уплотненные конденсаторы имеют уплотненную органическими материалами конструкцию корпуса.

Герметизированные конденсаторы имеют герметичную конструкцию корпуса, который исключает возможность сообщения окружающей среды с его внутренним пространством. Герметизация осуществляется с помощью керамических и металлических корпусов или стеклянных колб.

По виду диэлектрика все конденсаторы можно разделить на группы: с органическим, неорганическим, газообразным и оксидным диэлектриком, который также является неорганическим, но в силу особой специфики характеристик выделен в отдельную группу.

Конструкции конденсаторов

Конструкции конденсаторов весьма разнообразны, среди них можно выделить некоторые типичные варианты, присущие многим типам независимо от их назначения и вида диэлектрика, например пакетную, трубчатую, дисковую, литую секционированную, рулонную, резервуарную и многопластинчатую конструкции (рис.13).

Рис.13. Основные конструкции конденсаторов

Пакетная конструкция присуща слюдяным (рис.14), стеклоэмалевым, стеклокерамическим и некоторым типам керамических конденсаторов.

Рис.14. Пакетная конструкция слюдяных конденсаторов: а — сборка фольгового конденсатора, б — сборка конденсатора с металлизированными обкладками, в — пакет после сборки, г — спрессованный конденсатор; 1 — пластинка слюды, 2 — фольговая пластинка, 3 — металлизированная обкладка, 4 — фольговая полоска, 5 — латунная обжимка, 6 — проволочный вывод,

7 — пластмассовая опрессовка

Пакет образован чередующимися слоями диэлектрика и обкладок, которые могут быть выполнены из металлической фольги или нанесены в виде пленок металла напылением или вжиганием. В пакете каждого элементарного конденсатора имеются верхняя и нижняя обкладки. Все верхние обкладки элементарных конденсаторов имеют контакт с одного торца пакета, а все нижние - с другого торца.

С торцов делают выводы конденсатора, имеющие вид проволочных проводников, ленточных полосок и др. Пакетную конструкцию опрессовывают, герметизируют или покрывают влагозащитной эмалью.

Трубчатая конструкция (рис.15) присуща многим керамическим конденсаторам. Обкладки конденсаторов 4 и 5 образованы на внутренней и внешней поверхностях трубки 6 метолом вжигания серебра в керамику. Толщину стенок трубки берут 0,25 мм и выше. В случае применения гибких проволочных выводов 1 нижнюю обкладку выводят на внешний цилиндр и создают между ней и верхней обкладкой изолирующий «поясок» 2.

Рис.15. Трубчатая конструкций керамических конденсаторов: а — с проволочными выводами, б — с ленточными выводами: 1 — проволочный вывод, 2 — поясок, 3 — эмаль, 4 — внутренняя обкладка, 5 — внешняя обкладка, 6 — керамическая трубка, 7 — внутренний ленточный вывод, 8 — внешний

ленточный вывод

В случае применения гибких проволочных выводов 1 нижнюю обкладку выводят на внешний цилиндр и создают между ней и верхней обкладкой изолирующий «поясок» 2. При использовании жестких ленточных выводов вывод 7 вставляют во внутреннюю полость трубки, а выводом 8 обжимают ее снаружи. Конструкция трубчатых конденсаторов имеет влагостойкое цветное эмалевое покрытие. Цвет эмали определяет группу стабильности емкости конденсатора.

Дисковая конструкция характерна для некоторых типов постоянных и полупеременных керамических конденсаторов. В этом случае на керамическом диске 5 (рис.16) сверху и снизу образуют обкладки 2 и 4 конденсатора из вожженного серебра в виде полумесяца (при жестком креплении проволочных выводов 7, проходящих через толщу диска) или круга (при непосредственной припайке проволочных выводов к обкладкам). Конструкцию дискового конденсатора также покрывают цветной эмалью.

Рис.16. Дисковая конструкция керамического конденсатора: 1 — проволочный вывод, 2 и 4 — обкладки из серебра, 3 — припой, 5 — керамический диск

Литая секционная конструкция (рис.17) применяется для керамических конденсаторов КЛС (керамические литые секционированные) и КЛГ (керамические литые герметизированные). Конденсаторы изготовляют методом горячей керамики. Минимальная толщина стенок при литье около 100 мкм, а воздушный зазор (прорезь 3) между ними 130—150 мкм. Обкладки наносят на поверхности стенок методом окунания в серебряную пасту, которую в дальнейшем вжигают в керамику.

Рис.17. Литая секционированная конструкция керамического конденсатора: 1 — керамическая заготовка, 2 — место образования общей выводной обкладки,

3 — прорезь для нанесения обкладок секции

Получение нужной коммутации секций осуществляют сошлифовкой пасты с последующим наращиванием обкладок и припайкой к ним проволочных выводов конденсатора. После этого конденсатор лакируют. Маркировку осуществляют цветной эмалью и цветными полосками по торцам.

Рулонная конструкция характерна для бумажных (рис.18), пленочных и электролитических конденсаторов сухого типа. В этом случае диэлектрик (бумага 1, пленка) или обкладку (алюминиевая фольга) с нанесенным на нее диэлектриком (окисью алюминия, тантала) в виде длинных и тонких лент свертывают в рулон.

Рис.18. Рулонная конструкция бумажного конденсатора: а — намотка секции, б — устройство конденсатора; 1— бумага, 2 — фольга, 3 — стеклянной изолятор, 4 — крышка, 5 —корпус, 6 — картонная прокладка, 7 — оберточная

бумага, 8 — секция конденсатора

При этом для бумажных и пленочных конденсаторов одновременно свертывают фольговые обкладки 2, разделенные бумагой или пленкой. Толщина бумаги берется не больше 5 мкм, толщина пленки — 10—20 мкм, толщина обкладок из алюминия — 8 мкм. Для металлобумажных и металлопленочных конденсаторов обкладки выполняют нанесением металлического тонкого слоя (сотые доли мкм) на поверхность ленты диэлектрика. В электролитических конденсаторах между двумя обкладками (оксидированной и неоксидированной) прокладывают ленту из бумаги или бязи, пропитанной электролитом, которую сворачивают в рулон одновременно с обкладками.

Роль диэлектрика выполняет оксидная пленка алюминия (относительная диэлектрическая проницаемость г = 10) или тантала (8 = 25) толщиной в сотые доли — единицы микрона. Такая малая толщина диэлектрика обеспечивает электролитическим конденсаторам повышенную удельную емкость. Электролит выполняет роль второй обкладки и необходим для поддержания требуемой электрической прочности пленки при рабочих напряжениях от единиц до сотен вольт. Он является ограничивающим гасящим сопротивлением в схеме конденсатора. Толщину алюминиевой фольги берут 50 —100 мкм, а танталовой — до 10 мкм. Намотанные в рулон секции, помещенные в металлические корпуса, герметизируют пайкой, сваркой, компаундами и уплотнительными резиновыми прокладками.

Резервуарная конструкция характерна для жидкостных электролитических конденсаторов. На рис.19 показана конструкция этого вида конденсатора типа ЭТО. В стальном герметизированном корпусе 10 цилиндрической формы расположен объемно-пористый анод 7 конденсатор; помещенный в электролит 6 из серной кислоты (в танталовых резервуарных конденсаторах в качестве электролита используются НС1 и LiCl). Для защиты от ее действия внутренние стенки корпуса покрыты серебром. Выводы конденсатора сделаны от цилиндра анода (ленточный плюсовой вывод 7): от нижнего торца корпуса (проволочный минусовый вывод 9).

Рис.19. Резервуарная конструкция жидкостного электролитического конденсатора ЭТО: 1 и 9 — анодный и катодный выводы, 2 — текстолитовое кольцо, 3 — фторопластовое кольцо, 4 — танталовая крышка, 5 — резиновое кольцо, 6 — электролит, 7 — объемно-пористый анод, 8 — серебряное покрытие,

10 — стальной корпус

Применение объемно-пористого анода, получаемого спеканием порошка окиси тантала, резко увеличивает эффективную площадь анода, что позволяет получить большие емкости конденсаторов при малых объемах. Использование сильно действующего (активного) электролита снижает сопротивление конденсатора, что улучшает температурные и частотные зависимости его емкости, но ограничивает предел рабочих напряжений.

Многопластинчатая конструкция (рис.20) применяется для воздушных конденсаторов переменной емкости. Основными элементами таких конструкций являются корпус 4, статорная и роторная секции, ось 2, система ее подвески, токосъемник 6, система подвески статора. Статорная и роторная секции состоят соответственно из пластин 5 и 10, 11, укрепленных на швеллерах и оси различными методами (расчеканка, пайка, отбортовка, метод напряженных посадок). Ротор, как правило, заземлен на корпус, а статор изолирован от него.

Вращением оси изменяют взаимное положение роторных и статорных пластин в пределах угла поворота от 0 до 180°, а следовательно, площадь их перекрытия и емкость конденсатора. Закон изменения емкости в зависимости от угла поворота определяется формой роторных пластин, реже - статорных.

Рис.20. Многопластинчатая конструкция переменного конденсатора: 1 — гребенка ротора, 2 — ось, 3 — насыпной шариковый подшипник, 4 — корпус, 5 — пластина статора, 6 — токосъемник, 7 — валик крепления, 8 — подпятник,

9 — планка крепления, 10 и 11 — разрезная и неразрезная пластины ротора

С помощью подпятника 8 регулируют плавность вращения оси. Дл подгонки емкости под заданный закон ее изменения крайние пластины 1 ротора делают разрезными. Отгибая или подгибая часть сектора пластинь: можно менять емкость конденсатора в небольших пределах, подгоняя ее по, требуемое значение для заданного угла поворота.

Таблица 3

Сравнительные характеристики типов конденсаторов

Тип	Диэлектрическая адсорбция	Преимущества	Недостатки
NPO керамические	<0,1%	Малый размер корпуса, невысокая стоимость, хорошая стабильность, широкий выбор номиналов, много поставщиков, низкая индуктивность	DA обычно мала, но может не указываться в спецификации
Полистирол	0,001%-0,02%	Недорогие, самый низкий DA, широкий выбор номиналов, хорошая стабильность	Повреждается при температуре выше +85°С, большие размеры корпуса, высокая индуктивность
Полипропилен	0,001%-0,02%	Недорогие, самый низкий DA, широкий выбор номиналов	Повреждается при температуре выше +105°С, большие размеры корпуса, высокая индуктивность
Тефлон	0,003%-0,02%	Самый низкий DA, хорошая стабильность, работа при температуре выше =125°С, широкий выбор номиналов	Относительно дорогие, большие размеры, высокая индуктивность
МОП	0,1%	Хорошая стабильность, низкая цена, работа при температуре выше +125°С, низкая индуктивность	Доступны только малые номиналы емкости
Поликарбонат	0,1%	Хорошая стабильность, низкая цена, широкий диапазон температур	Большие размеры, DA ограничивает применение только до восьмиразрядных приложений, высокая индуктивность
Полиэфир	0,3%-0,5%	Приемлемая стабильность, низкая цена, широкий диапазон температур, низкая индуктивность	Большие размеры DA ограничивает применение только до восьмиразрядных приложений, высокая индуктивность
Монолитные керамические Слюдяные	>0Д% >0,003%	Низкая индуктивность, широкий выбор номиналов, малые потери на ВЧ, низкая индуктивность, высокая стабильность, номиналы доступны с точностью 1% и выше	Низкая стабильность, плохая DA, слишком большие размеры, малые номиналы (<10 нФ), дорогие
Электролитические (алюминий)	Высокая	Большие номиналы, большие токи, высокие напряжения, малые размеры	Значительная утечка, обычно поляризованные, плохая стабильность, плохая точность, достаточно индуктивны
Электролитические (тантал)	Высокая	Малые размеры, большие номиналы, умеренная индуктивность	Очень большая утечка, обычно поляризованные, дорогие, плохая стабильность, плохая точность