Методичка: Изучение резисторов и конденсаторов

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 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.

2.2 Основные конструкции конденсаторов

Рассмотрим типичные конструкции конденсаторов.

Пакетная конструкция применяется в слюдяных, стеклоэмалевых, стеклокерамических и некоторых типах керамических конденсаторов и представляет собой пакет чередующихся металлических и диэлектрических пластин или тонких пленок. На рис 2.2 показана конструкция слюдяного конденсатора. На пластины слюды 1 толщиной около 0,04 мм напыляют металлические обкладки 2, которые соединяются в общий контакт полосками фольги 3. Собранный пакет опрессовывается обжимами 4, к которым присоединяются гибкие выводы 5, и покрывается влагозащитной эмалью. Количество пластин в пакете достигает 100.

Емкость такого конденсатора зависит от числа пластин в пакете [пФ]

Рис.2.2. Конструкция слюдяного конденсатора.

Трубчатая конструкция (рис. 2.3.) характерна для высокочастотных трубчатых конденсаторов и представляет собой керамическую трубку 1 с толщиной стенок около 0,25 мм, на внутреннюю и внешнюю поверхность которой нанесены серебряные обкладки 2 и 3. Для присоединения гибких проволочных выводов 4 внутреннюю обкладку выводят на внешнюю поверхность трубки и создают между ней и внешней обкладкой изолирующий поясок 5. Снаружи на трубку наносят защитную пленку из изолирующего материала. резистор провод конденсатор адсорбция

Рис. 2.3. Трубчатая конструкция конденсатора.

Емкость такого конденсатора:

,

где - длина перекрывающейся части обкладок, см; и - наружный и внутренний диаметры трубки.

Дисковая конструкция (рис. 2.4) характерна для высокочастотных керамических конденсаторов: На керамический диск 1 с двух сторон наносят серебряные обкладки 2 и 3, к которым присоединяют гибкие выводы 4. Емкость такого конденсатора определяется площадью обкладок и рассчитывается по формуле (2.1).

Литая конструкция (рис. 2.5) характерна для монолитных многослойных керамических конденсаторов, получивших в последние годы широкое распространение, в том числе в ИМС.

Такие конденсаторы изготовляют путем литья горячей керамики, в результате которого получают керамическую заготовку 1 с толщиной стенок около 100 мкм и прорезями (пазами) 2 между ними, толщина которых составляет порядка 130 - 150 мкм. Затем эту заготовку окунают в серебряную пасту, которая заполняет пазы, после чего осуществляют вжигание серебра в керамику. В результате образуются две группы

Рис.2.4. Дисковая конструкция конденсатора.

Рис.2.5. Литая конструкция конденсатора.

серебряных пластин, расположенных в пазах керамической заготовки, к которым припаивают гибкие выводы. Снаружи всю структуру покрывают защитной пленкой. В конденсаторах, предназначенных для установки в гибридных ИМС, гибкие выводы отсутствуют, они содержат торцевые контактные поверхности, которые присоединяются к контактным площадкам ГИС.

Рулонная конструкция (рис. 2.6.) характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов, обладающих большой емкостью. Бумажный конденсатор образуется путем свертывания в рулон бумажной ленты 1 толщиной около 5 - 6 мкм и ленты из металлической фольги 2 толщиной около 10 - 20 мкм. В металлобумажных конденсаторах вместо фольги применяют тонкую металлическую пленку толщиной менее 1 мкм, нанесенную на бумажную ленту.

Рис.2.6. Рулонная конструкция конденсатора.

Рулон из чередующихся слоев металла и бумаги не обладает механической жесткостью и прочностью, поэтому его размещают в металлическом корпусе, являющемся механической основой конструкции.

Емкость таких конденсаторов:

где - ширина ленты; - длина ленты; - толщина бумаги.

Емкость бумажных конденсаторов достигает 10 мкФ, а металлобумажных - 30 мкФ.

Конденсаторы гибридных ИМС представляют собой трехслойную структуру: на диэлектрическую подложку наносят металлическую пленку, затем диэлектрическую пленку и снова металлическую пленку. В качестве конденсаторов полупроводниковых ИМС используют один из электронно - дырочных переходов транзистора или МДП - структуру, в которой роль нижней обкладки конденсатора выполняет полупроводниковая подложка (П), роль диэлектрика (Д) - слой оксида кремния SiO2 и роль верхней обкладки конденсатора - металлическая пленка (М).

Подстроечные (полупеременные) конденсаторы. Особенностью этих конденсаторов является то, что их емкость изменяется в процессе регулировки РЭА, а в процессе эксплуатации их емкость должна сохраняться постоянной и не изменяться под воздействием вибрации и ударов. Они могут быть с воздушным или твердым диэлектриком. На рис. 2.7 показано устройство подстроечного конденсатора с твердым диэлектриком типа КПК (конденсатор подстроечный керамический). Такой конденсатор состоит из основания 2 (статора) и вращающего диска 1 (ротора). На основание и диск напылены серебряные пленки полукруглой формы. При вращении ротора изменяется площадь перекрытия пленок, а, следовательно, емкость конденсатора. Как правило, минимальная емкость (когда пленки не перекрыты) составляет несколько пикофарад, а при полном перекрытии пленок емкость конденсатора будет максимальной -- несколько десятков пикофарад. От ротора и статора сделаны внешние выводы 3 и 4. Плотное прилегание ротора к статору обеспечивается прижимной пружиной 5.

На рис. 2.8 показано устройство подстроечного конденсатора с воздушным диэлектриком. На керамическом основании 1 установлены колонки 2 для крепления пластин статора 3. Пластины ротора 4 закреплены на оси ротора 5. Посредством пружины - токосъема 6 ротор подключается к соответствующим точкам принципиальной схемы. Крепление конденсатора осуществляется с помощью колонок 7, имеющих внутреннюю резьбу.

Конденсаторы переменной емкости. Емкость этих конденсаторов может плавно изменяться в процессе эксплуатации РЭА, например, для настройки колебательных контуров. Так же как и подстроечный конденсатор, конденсатор переменной емкости состоит из статора и ротора, но, в отличие от подстроечного, количество роторных и статорных пластин велико, что необходимо для получения максимальной емкости порядка 500 пФ. Как правило, эти конденсаторы имеют воздушный диэлектрик. На рис. 2.9 показано устройство трехсекционного конденсатора переменной емкости. Каждая

Рис.2.7. Устройство подстроечного конденсатора с твердым диэлектриком.

секция служит для настройки своего колебательного контура. Такие конденсаторы применяют в радиоприемной аппаратуре. Конструктивной основой является корпус 4, содержащий валики крепления 7 и планку крепления 9, в котором размещены статорная и роторная секции.

Рис.2.8. Устройство подстроечного конденсатора с воздушным диэлектриком.

Статорная секция 5 изолирована от корпуса, а роторная секция 1 состоит из неразрезных (внутренних) пластин 11 и разрезных (внешних) пластин 10. Отгибая или подгибая часть сектора внешней пластины, можно изменять емкость в небольших пределах, что бывает необходимо в процессе заводской настройки аппаратуры. Роторные пластины закреплены на оси 2. Плавность вращения оси обеспечивается шариковым подшипником 3 и подпятником 8. На корпусе конденсатора около каждой роторной секции установлены специальные пружины-токосъемы 6, которые плотно прижимаются к ротору. Посредством токосъемов производится подключение роторных секций к соответствующим точкам схемы аппаратуры.

Основными параметрами конденсатора являются емкость и рабочее напряжение. Кроме того, свойства конденсаторов характеризуют рядом паразитных параметров.

Рис.2.9. Устройство конденсатора переменной емкости.

2.3 Параметры конденсаторов

Номинальная емкость и допустимое отклонение от номинала . Существует номинальное , и фактическое значения емкости. Номинальная емкость указывается на его маркировке в сопроводительной документации; фактическая - это значение емкости, измеренное при данной температуре и определенной частоте.

Допустимое отклонение емкости обычно задается в процентах

.

Номинальные значения емкости высокочастотных конденсаторов так же, как и номинальные значения сопротивлений, стандартизованы и определяются рядами Е6, Е12, Е24 и т. д. (см. табл. 4). Номинальные значения емкости электролитических конденсаторов определяются рядом: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 300; 500; 1000; 2000; 5000 мкФ.

Номинальные значения емкости бумажных пленочных конденсаторов определяются рядом: 0,5; 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 20; 20; 40; 60; 80; 100; 200; 400; 600; 800; 1000 мкФ.

По отклонению от номинала конденсаторы разделяют на классы (табл. 8).

Таблица 8 Классы точности конденсаторов

Конденсаторы I, II и III классов точности являются конденсаторами широкого применения и соответствуют рядам Е24, Е12 и Е6.

В зависимости от назначения в РЭА применяют конденсаторы различных классов точности. Блокировочные и разделительные конденсаторы обычно выбирают по II и III классам точности, контурные конденсаторы обычно имеют 1, 0 или 00 классы точности, а фильтровые - IV, V и VI классы точности.

Электрическая прочность конденсаторов характеризуется значением напряжения пробоя и зависит в основном от изоляционных свойств диэлектрика. Все конденсаторы в процессе изготовления подвергают воздействию испытательного напряжения в течение 2 - 5 с. В технической документации указывают номинальное напряжение, то есть такое максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать длительное время при соблюдении условий, указанных в технической документации. Для повышения надежности РЭА конденсаторы используют при напряжении, которое меньше номинального.

Стабильность емкости определяется ее изменением под воздействием внешних факторов. Наибольшее влияние на емкость оказывает температура. Ее влияние оценивают температурным коэффициентом емкости (ТКЕ):

Изменения значения емкости в зависимости от температуры характеризуются температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), который иногда обозначают :

.

Этот коэффициент показывает изменение емкости при изменении на 1К температуры окружающей среды. В зависимости от материала диэлектрика ТКЕ может быть положительным, нулевым или отрицательным. Его значение, определенное на конкретной частоте, указывается в маркировке конденсатора с помощью букв и цифр или цветного кода. По допускаемому отклонению ТКЕ от нормированного значения конденсаторы подразделяются на два класса: А и Б. У класса А отклонение в 2,0...2,5 раза меньше, чем у класса Б. При необходимости получить определенное значение ТКЕ применяют последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов с разными номиналами и разными ТКЕ. При параллельном соединении конденсаторов ТКЕ полученной результирующей емкости С находят из уравнения

При последовательном соединении - из уравнения

Подбирая номиналы и ТКЕ, а также, комбинируя последовательное и параллельное соединения, можно обеспечить нулевой ТКЕ, что применяется при создании измерительных конденсаторов.

Упрощенные эквивалентные схемы конденсаторов содержат емкость, сопротивление и индуктивность.

Из этого следует, что на частотах, больших резонансной, конденсатор становится индуктивностью. Поэтому в электронных цепях конденсаторы стремятся использовать в той полосе частот, в которой индуктивность не оказывает существенного влияния. Так, у воздушных конденсаторов максимальная частота порядка 2,5...3,6 МГц, слюдяных - 150...200 МГц; бумажных - 50...80 МГц; керамических дисковых - 200...2000 МГц; керамических трубчатых - 5...200 МГц.

Изменение емкости обусловлено изменением линейных размеров обкладок конденсатора и диэлектрика, но в основном изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика.

У высокочастотных конденсаторов величина ТКЕ не зависит от температуры и указывается на корпусе конденсатора путем окраски корпуса в определенный цвет и нанесения цветной метки.

У низкочастотных конденсаторов температурная зависимость емкости носит нелинейный характер. Температурную стабильность этих конденсаторов оценивают величиной предельного отклонения емкости при крайних значениях температуры. Низкочастотные конденсаторы разделены на три группы по величине температурной нестабильности: Н20 - ; Н30 - ; Н90 - .

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом старения

.

Потери энергии в конденсаторах обусловлены электропроводностью и поляризацией диэлектрика. Их характеризуют тангенсом угла диэлектрических потерь . Конденсаторы с керамическим диэлектриком имеют , конденсаторы со слюдяным диэлектриком - ; с бумажным - 0,01 - 0,02, с оксидным - 0,1 - 1,0.

Тангенс угла потерь характеризует электромагнитные потери в конденсаторе и определяется как отношение его активной к реактивной мощности.

Значения зависят от вида диэлектрика и могут меняться с частотой и с течением времени, а также зависеть от температуры и напряженности электрического поля.

При воздействии на конденсатор напряжения в нем возникают электрические и акустические шумы. Электрические шумы вызваны частичными разрядами, мерцаниями емкости и пьезоэлектрическими эффектами (в керамических конденсаторах). Акустические шумы конденсатора обусловлены вибрацией обкладок под действием кулоновских и электродинамических сил.