8.Конденсаторы, с оксидным диэлектриком

Оксидные конденсаторы (старое название —электролитические) разделяются на: общего назначения, неполярные, высокочастотные, импульсные, пусковые и помехоподавляющие. В качестве диэлектрика в них используется оксидный слой, образуемый электрохимическим путем на аноде —металлической обкладке из некоторых металлов.

В зависимости от материала анода оксидные конденса­торы подразделяют на алюминиевые, танталовые и ниобиевые.

Второй обкладкой конденсатора (катодом) служит электролит пропитывающий бумажную или тканевую прокладку в оксидно-электролитических (алюминиевых и танталовых конденсаторах, жидкий или гелеобразный электролит в танталовых, объемно-пористых кон­денсаторах и полупроводник (двуокись марганца) в оксидно-полупроводниковых конденсаторах. Конденсаторы с оксидным диэлектриком —низковольт­ные, с относительно большими потерями, но в отличие от других типов низковольтных конденсаторов имеют несрав­нимо большие емкости (от единиц до сотен тысяч микро-фарад). Они используются в фильтрах источников электро­питания, цепях развязки, шунтирующих и переходных цепях полупроводниковых устройств на низких частотах.

Алюминиевые оксидно-электролитические конденсаторы являются одними из самых массовых. Они выпускаются на напряжения от 3до 450 (500)В с диапазоном емко­стей от десятых долей до сотен тысяч микрофарад и пред­назначены для работы в цепях постоянного и пульсирующе­го токов, а также в импульсных режимах.

Конденсаторы К50-35 из группы общего назначения име­ют униполярную (одностороннюю) проводимость, вслед­ствие чего их эксплуатация возможна только при поло­жительном потенциале на аноде. Тем не менее это наиболее распространенные оксидные конденсаторы.

Неполярные конденсаторы с оксидным диэлектриком могут включаться в цепь постоянного и пульсирующего тока без учета полярности, а также допускать смену полярности в процессе эксплуатации. Неполярные конденсаторы выпускаются оксидно-электролитические: (жидкостные) алюминиевые и танталовые, а также оксидно-полупроводниковые танталовые.

Импульсные конденсаторы К50-17используются в электрических цепях с относительно длительным зарядом и быстрым разрядом, например в устройствах фотовспышек.

Пусковые конденсаторы К50-19используются в асин­хронных двигателях, в которых емкость включается только на момент пуска двигателя. При наличии пусковой емко­сти вращающееся поле двигателя при пуске приближается к круговому, а магнитный поток увеличивается. Все это способствует повышению пускового момента, улучшает ха­рактеристики двигателя.

В связи с тем, что пусковые конденсаторы включаются 1в сеть переменного тока, они должны быть неполярными и иметь сравнительно большое для оксидных конденсато­ров рабочее напряжение переменного тока, несколько превышающее напряжение промышленной сети. На практике используются пусковые конденсаторы емкостью поряд­ка десятков и сотен микрофарад, созданные на основе алюминиевых оксидных пленок с жидким электролитом.

В группу оксидных помехоподавляющих конденсаторов входят только проходные оксидно-полупроводниковые танталовые конденсаторы. Они, как и проходные конденса­торы других типов, выполняют роль фильтра нижних ча­стот, но в отличие от них имеют гораздо большие значе­ния емкостей, что дает возможность сдвигать частотную характеристику в область более низких частот.

4. Конденсаторы с газообразным диэлектриком По выполняемой функции и характеру изменения емкости эти конденсаторы делятся на постоянные и пере­менные. В качестве диэлектрика в них используется воздух, сжатый газ (азот, фреон, элегаз), вакуум. Особенно­стями газообразных диэлектриков являются малое значе­ние тангенса угла диэлектрических потерь (до 10^-5) и вы­сокая стабильность электрических параметров. Поэтому, ос­новной областью их применения является высоковольтная и высокочастотная аппаратура.

В радиоэлектронной аппаратуре из конденсаторов с газообразным диэлектриком наибольшее распространение получили вакуумные. По сравнению с воздушными они имеют значительно большие удельные емкости, меньшие потери в широком диапазоне частот, более высокую электри­ческую прочность и стабильность параметров при изме­нении окружающей среды. По сравнению с газонаполнен­ными, требующими периодической подкачки газа из-за его утечки, вакуумные конденсаторы имеют более простую кон­струкцию, меньшие потери и лучшую температурную ста­бильность; они более устойчивы к вибрации, допускают более высокие значения реактивной мощности.

Вакуумные конденсаторы применяются в передающих устройствах диапазонов ДВ,- СВ и КВ на частотах до 30...80МГц в качестве контурных, блокировочных, фильтро­вых и разделительных конденсаторов, используются также в качестве накопителей в импульсных искусственных линиях формирования и различного рода мощных высоковольтных .высокочастотных установках.

5. Конденсаторы для гибридных микросхем Наибольшее распространение в качестве навесных емкостных элементов гибридных микросхем имеют в на­стоящее время керамические монолитные конденсаторы, однако в ряде случаев в составе микросхем и на печатной плате целесообразно использовать тонкопленочные конденсаторы различных видов. Танталовые тонкопленочные конденсаторы К26-3, пред­назначенные для работы в цепях постоянного, перемен­ного и пульсирующего токов в непрерывном и импульсном режимах. Конденсаторы К26-3в, предназначенные для монтажа в гибридных микросхемах методом «перевернутого кристалла», имеют номинальные емкости от 27до 10000пф. Конденсаторы К26-3а с плоскими односторонне направ­ленными ленточными выводами, герметизированные эмалыо, предназначаются для монтажа на печатные платы и выпускаются с номинальными емкостями от 47до22 000пФ. Танталовые тонкопленочные конденсаторы К26-5 изго­товляются на кремниевых подложках и имеют номиналь­ные емкости от 100до 7400пф; выпускаются двух модификаций: для монтажа методом «перевернутого кристал­ла» и присоединения методом приварки тонкой проволоки. Промежуточные значения емкостей танталовых тонкопленочных конденсаторов соответствуют ряду Е12 ГОСТ 2619—67.Допускаемые отклонения емкости от номинальной ±5, ±10, ±20%.Номинальные напряжения 16, 10и 6,3В. Диапазон рабочих температур —45... +85 °С.

Наиболее целесообразное применение таких конденса­торов —в качестве разделительных, блокировочных и фильтровых в транзисторной радиоэлектронной аппаратуре. Планарные конденсаторы К26-2,предназначенные для емкостной подстройки гибридных микросхем, представляют собой блок из четырех конденсаторов (с одним общим электродом) на подложке из материала с высокой ди­электрической проницаемостью. Значения емкостей конден­саторов образуют отношение 1:2; 4:8,что позволяет потре­бителю, осуществляя параллельное соединение отдель­ных конденсаторов, получать 15значений емкости. Таким образом, конденсаторы К26-2могут выполнять роль подбор­ного емкостного элемента и в некоторых случаях заменять вращающиеся подстроечные конденсаторы.

Конденсаторы выпускаются в двух модификациях: с суммарной емкостью 6и 22,5пф (соответственно мини­мальная емкость 0,4и 1,5пФ). Номинальное рабочее напряжение 25В.

Тонкопленочные конденсаторы со структурой металл-диэлектрик—полупроводник (МДП) изготовляются с номинальными емкостями от 1до 200пф и промежуточными значениями по ряду Е6 ГОСТ 26.19—67. Номинальное напряжение составляет:6,3В -в диапазоне емкостей от 15до 220пФ;

25В - в диапазоне емкостей от 6,8до 100пФ;

50В - в диапазоне емкостей от 1до 47пф.

Интервал рабочих температур —60...+100°С.

1.Трансформаторы – статическое устройство для преобразования параметров переменныхUиI. Снаружи обычно – высоковольтная обмотка. Классификация. По функциональному назначению: - трансформаторы питания (силовые), согласующие трансформаторы (для согласования параметров электрической цепи с цепью нагрузки), входные трансформаторы (для согласования параметров источника питания с входным сопротивлением электрической цепи), импульсные трансформаторы (для формирования и преобразования импульсных сигналов).

По рабочей частоте: трансформаторы пониженной частоты f<50Гц, трансформаторы промышленной частоты (f=50Гц), трансформаторы повышенных промышленных частот (400Гц, 1000Гц), трансформаторы повышенных частот (f≤10кГц), трансформаторы высоких частот (f>10кГц). По количеству обмоток: одно-обмоточные (автотрансформатор), двух обмоточные, многообмоточные. По типу магнитного сердечника: пластинчатый, ленточный, прессованный. По конструкционному исполнению: броневые, стержневые, тороидальные.

Основные параметры.

Расчётная (полезная) мощность – мощность, передаваемая потребителю. P₂=U₂I₂cosφ₂

Потребляемая мощность P₁=U₁I₁;P₁>P₂

Типовая или габаритная мощность – мощность определяющая размеры трансформатора. S_тип=1/2∑_I=1ⁿP_i;

КПД: η=P₂/P₁=P_n/P₂+P₁

Падение Uв обмотках трансформатора складывается из паденияUна активных и реактивных сопротивлениях 1 и 2 обмоток. Выражается в % от ном. Г перв. обмотки. Активная составляющая:U_а≡(r₁+r₂)I₁=r_трI, величиныX₁X₂определяются различными методами. Напряжение К.З. – полное падение напряжения в обмотках трансформатора приIнам. нагрузкиU_к=√U_a²+U_p². ЕслиW₂замкнуто накоротко, аW₁ включить через регулятор на такое пониженноеU, при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи, то это напряжениеU_кобычно выражают в % от номинальногоUпервичной обмотки:U_к%=U_к/U_н По величинеU_кможно оценить КПД трансформатора, а так же вычислить величину тока короткого замыкания, которая в аварийных режимах позволяет определить усилия механической деформаций, которым подвергаются обмотки вплоть до их разрушения.

Ток х х складываются из реактивных и активных составляющих

I_0а=P_c(m)/U; I_0а= I_0а/ I_1H*100%=P_c/P₁*100% P_cm – полные потери в сердечнике I_0p=Q_cm/U; I_0p= I_0p / I_1H*100%= Q_c/P₁*100%

Q_c– полная намагниченная мощность то есть мощность необходимая для создания в магнитном проводе заданного значения индукции.I₀=√I_ca²+I_cp² Внешняя характеристика трансформатора.

cosφ₂>0 ёмкостной характерI₂ cosφ₂=0cosφ₂<0 индуктивный характерI₂

2.3.Методика расчёта трансформатора малой мощности. (ТММ) Исходные данные: 1. Действующие значения I и U 1 и 2 обмоток: I, U, I₂, U₂ либо бывает известно

P₂(I₂,U₂) иU_nтогда задавшись величиной КПД определяемP₁;P₁=P₂/n; 2.f– частота питания сети 3.cosφ

t₀– температура окружающей среды

Определение суммарной мощности всех вторичных обмоток. P₂=U₂I₂cosφ₂

Выбор конструкции магнитопровода.

Для малых мощностей (от 1 да дес. ВА) рекомендуется броневая конструкция сердечника, достоинства: малые внешние потоки рассеяния, технологичность (1 катушка), недостатки: низкие удельные показатели (P_vP_m)

От дес. До тыс ВА рекомендуется стержневая конструкция с ленточным разъёмным сердечником и 2-мя катушками. Достоинства: высокие удельные массо – W₁/2 габаритные показатели. Недостатки: 2 катушки.

В диапазоне ВЧ и мощностей В дес. КВА применяют трансформатор с кольцевым сердечником. Достоинства: малые внешние потоки рассеяния. Недостатки: низкая технологичность.

Выбор материала магнитопровода (сердечника) в зависимости от fаналогично сгл. дросселем. Сталь или пермоллой – выбирается толщина ленты и определяетсяK_с=f(a₁);

Выбор величины рабочей индукции для данного материала B_max=B_p≈0.8B_s,B_s– из справочников.

Задаём ориентировочные значения jв обмотках

J_ср=(j₁+j₂)/2;j₁≈j₂ [2÷6]A/мм²; в реальн. Трансформаторе плотность тока в той обмотке, поверхность которой соприкасается с внешней средой может быть принята на 15-20% большей

6. Задаёмся значением K_ок:K_ок=∑S_пр/S_ок=(0.22÷0.3)

7. Находим величину S_ок S_с≈P₂*100/(2.22fB_maxj_срK_окК_с); Находим величину базового размера сердечника. Например,S_ок S_с=abhc=lmha⁴,a=⁴√S_ок S_с/l_mn; броневой:l=1-2,n=1,m=2.5a=(0.67÷0.8)⁴√S_ок S_с м.

Выбираем в справочнике магнитопровод, линейный размер которого наиболее близок к вычисленному.

Определяем потери в материале сердечника любым из известных методов P_c=P_cm_c;P_c=F(f,Bm, a₁);

Находим абсолютное и относительное значение активной составляющей тока х. х..I_0a=P_c/U₁, AI_0a=I_0a/I_1H

Определяем полную намагничивающую мощность, необходимую для создания в сердечнике заданного значения Bm q_с- полная удельная намагничивающая мощностьQ_c=q_сm_c.

Находим реактивное состояние тока х. х. I_ср=Q_c/UA:I_op=I_op/I_1H. находим относительное значение х. х.I₀=√I_0a²+I_0p²

Если I₀приf=50 Гц лежит в пределах (0.3÷0.5) и приf>50 Гц (0.1÷0.2), то выбор сердечника произведён верно, еслиI₀меньше нижнего предела в диапазонах, тоBmследует увеличить, а еслиI₀больше верхнего предела, тоBmследует уменьшить и повторить расчёт.

Определяем число витков обмоток трансформатора.

W₁=E₁/(4.44fBmS_cK_c) ; W₂= E₂/(4.44fBmS_cK_c);

E₁иE₂– ЭДС каждой обмотки. Выразим их через напряжение на её зажимах:E₁=U₁(1-∆U₁%*10^-2);E₂=U₂(1-∆U₂%*10^-2);

∆ U₁%, ∆U₂% - падениеUв обмотках в %.

При расчёте Тр. на заданное падение Uв обмотках ∆U_общ. бывает задана в %. В инженерных расчётах ∆U₁%≈∆U₂%. Иногда в НТД приводятся зависимости ∆U₁%=f(P₂).

Если ∆ Uнеизвестно, то можно воспользоваться соотношением:

W₁=S_oк1К_ок1/S_пр1;W₂=S_oк2К_ок2/S_пр2;S_пр1=I₁/j₁;S_пр2=I₂/j₂; К_ок1= К_ок2= К_ок;S_oк1=S_oк2= 1/2S_oк

Определим сечение и диаметр провода обмоток. d_пр=1.13√S_пр

Выбираем марки проводов обмоток, выписываем стандартные сечения и диаметр ближайшие к расчётным.

Производим конструктивный расчёт Т_р~D_р. Отличия: 1.так какW₁иW₂обычно выполняют проводом различного типа и различных параметров, то К_у1и К_у2 2. ДляW₁иW₂может различаться толщина м/у слойной изоляции. К_мс- учесть при определении рационального размера каждой обмотки 3. Появляется новый вид изоляции – м/у обмоточная (учесть при определении общего радиального размера)

Определим активное сопротивление обмоток трансформатора R₁иR₂

Вычисляем P_обм1,P_обм2. Определим индуктивное сопротивление обмоток трансформатораX₁, X₂.

Определим абсолютное и относительное значение активности и индуктивной составляющей падение Uв обмотке трансформатора:U_a=(r₁+r₁’)I=r_трI₁,U₂=(x₁+x₁’)I₁=x_трI₁

КПД: η=P₂/(P₂+ ∑P_пот) сравнить с рекомендуемым значением.

Определим величину удельного теплового потока: q=∑P_пот/∑S_охл.

4.Катушки индуктивности (КИ)

КИ – катушка из провода с изолированными витками - обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлением.

Классификация: Каркасные и бескаркасные. Однослойные и многослойные. С магнитным сердечником и без него. Экранированные и неэкранированные. КИ являются нестандартными изделиями. В каркасной КИ обмотка наматывается на особое основание – каркас, выполненное из электроизолли-х материалов (гетинакс, стеклотекстолит, электрокартон, пластмасса)

Достоинства: 1) облегчает намотку катушки (предотвращает сползание витков с торцов цилиндра)

2) Содержит готовую торцевую изоляцию.Недостаток – увеличение габаритов. В малогабаритной КИ используют гильзовую конструкцию.

При выполнении обмотки для предотвращения сползания крайних витков применяется рядовая намотка, которая в сечении представляет пирамиду. А при каркасной конструкции можно использовать беспорядочную намотку – “в разброс”, “в навал” более высокий коэффициент заполнения.

2. Однослойные КИ имеют бескаркасную конструкцию и выполняется рядовой намоткой. Многослойные КИ выполняют на основе каркасной конструкции. При больших величинах и между слоями КИ прокладывают межслойную изоляцию. Выводы концов обмоток КИ выполняют проводом обмотки если d>0.3 мм, если диаметр провода меньше, то выводы нужно выполнять многожильными гибкими изолированными проводами (МГШВ). Выводной провод должен быть механически закреплён к обмоточному и тщательно припаян. К выводным концам обмотки обычно припаивают монтажные лепестки (для мощных КИ). Выводные концы КИ закрепляются на щётках каркаса при помощи специальных контактных лепестков от которых можно осуществлять соединение с другими элементами схемы.

Обмоточные провода. Наиболее широко применяются провода с эмалевой изоляцией, реже с волокнистой и эмалеволокнистой. t – до 105°Cприменяются провода типа ПЭЛ ГОСТ 2773, ПЭВ1 и ПЭВ2 ГОСТ 7262 – до 130° С ПТВ ГОСТ 16.505 (с эмалевым покрытием из термостекла, высокопрочное покрытие) – самый лучший при работе в В/Ч диапазоне. Обмотку КИ необходимо выполнять многожильным проводом. Специальные обмотки: высокочастотные провода ГОСТ 16186 каждый провод скручен из медных изолированных проволокd<2Δ.

3. КИ без сердечника используются на частотах > 1 Мгц или используются только с подстроечными сердечниками. Для увеличения индуктивности и снижения * габаритных показателей КИ выполняют с сердечниками из магнитных материалов.