Курсовая работа (т): Системы хранения электрической энергии на основе нанотехнологий

) квадрату разности потенциалов, существующей между обкладками конденсатора

) диэлектрической постоянной среды.

На этой зависимости и опытном определении этой силы притяжения основаны способы определения разности потенциалов и диэлектрической постоянной. Диэлектрическая среда, находящаяся между обкладками, будучи подвержена действию электрических сил, претерпевает некоторые изменения, которые указывают нам на ту важную роль, которую играет непроводящая среда в электрических явлениях. Эти явления в среде следующие:

) Электрострикция. При заряде конденсатора объем слоя диэлектрика слегка уменьшается; после разряда диэлектрик принимает прежний объем. Причина явлений не вполне выяснена.

) Двойное преломление. Прозрачный диэлектрик, как показал Керр (1875), между обкладками заряженного конденсатора приобретает свойства двойного преломления, которые теряет после разряда конденсатора. Вполне изолированный конденсатор может весьма долго сохранять свой заряд. Чтобы произвести разряд, необходимо соединить проводником обкладки конденсатора, при этом энергия, накопленная в конденсатором, освобождается. Разряд конденсатора может быть либо обыкновенный, представляющий простое быстро ослабевающее течение электричества, а следовательно, явление обратное заряду, либо колебательный, смотря по свойствам цепи, по которой проходит разряд. Энергия, освобождающаяся во время разряда, может совершать работу, в виде или световых и тепловых, или механических или химических действий. Световые действия в виде искры и тепловые в виде нагревания воздушного или металлического пути разряда всегда сопровождают явления разряда. Механические действия проявляются в виде пробивания слоя диэлектрика, помещенного между двумя шариками, соединенными с обкладками конденсатора. Иногда, когда конденсатор заряжен до весьма высокого потенциала, пробивается сам диэлектрик между обкладками конденсатора, и этот последний приходит в негодность. Слабые химические действия, производимые разрядом, по существу не отличаются от таковых, производимых гальваническим током.

Обозначения конденсаторов на схемах:

На принципиальных схемах конденсаторы обозначаются в виде двух параллельных черточек и дополнительных элементов. На рис. 2.20, а показан конденсатор постоянной емкости, на рис. 2. 20,6 - полярный (электролитический) конденсатор, на рис. 2.20, в-конденсатор переменной емкости, на рис. 2.20, г - подстроечный, на рис. 2.20, д - варикап, на рис. 2.20, е - вариконд.

Конденсаторы имеют много применений в науке, а в последнее время и в технике. В опытных работах по статическому электричеству ими часто пользуются для скопления значительных количеств электрической энергии, а также применяют их к электроскопам для увеличения чувствительности последних, в катушках Румкорфа и т.д. В цепи постоянного тока конденсаторы не представляют особенных явлений, но весьма замечательные явления они представляют в цепи переменного тока. В цепи переменного тока конженсатор, включенный в цепь, не прерывает тока и действует лишь как сопротивление, ослабляя силу тока; в иных же случаях (в цепи проводники с самоиндукцией) может даже увеличить силу тока.

.1 Классификация и конструкции конденсаторов

По назначению конденсаторы делятся на конденсаторы общего назначения и специального назначения. Конденсаторы общего назначения делятся на низкочастотные и высокочастотные. К конденсаторам специального назначения относятся высоковольтные, помехоподавляющие, импульсные, дозиметрические, конденсаторы с электрически управляемой емкостью (варикапы, вариконды) и др.

По назначению также конденсаторы подразделяются на контурные, разделительные, блокировочные, фильтровые и т.д., а по характеру изменения емкости на постоянные, переменные и полупеременные (подстроечные).

По материалу диэлектрика различают три вида конденсаторов: с твердым, газообразным и жидким диэлектриком. Конденсаторы с твердым диэлектриком делятся на керамические, стеклянные, стеклокерамические, стеклоэмалевые, слюдяные, бумажные, электролитические, полистирольные, фторопластовые и др.

По способу крепления различают конденсаторы для навесного и печатного монтажа, для микромодулей и микросхем.

Конденсаторы гибридных ИМС (интегральных микросхем) представляют собой трехслойную структуру: на подложку наносится металлическая пленка, затем диэлектрическая пленка и снова металлическая пленка. В качестве конденсаторов полупроводниковых ИМС может использоваться один из электронно-дырочных переходов транзистора или МДП - структура: роль нижней обкладки выполняет подложка (П), роль диэлектрика (Д) выполняет слой окиси кремния SiO₂ и роль верхней обкладки конденсатора выполняет металлическая пленка (М).

а) Пакетная конструкция.

Она применяется в слюдяных, стеклоэмалевых, стеклокерамических и некоторых типах керамических конденсаторов и представляет собой пакет диэлектрических пластин (слюды) I толщиной около 0,04 мм, на которые напылены металлизированные обкладки 2, соединяемые в общий контакт полосками фольги 3 (рис. 2.12). Собранный пакет спрессовывается обжимами 4, к которым присоединяются гибкие выводы 5, и покрывается влагозащитной эмалью. Количество пластин в пакете достигает 100.

б) Трубчатая конструкция

Она характерна для высокочастотных трубчатых конденсаторов и представляет собой керамическую трубку I (рис. 2.13) с толщиной стенок около 0,25 мм, на внутреннюю и внешнюю поверхность которой методом вжигания 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 наносится защитная пленка из изоляционного вещества.

в) Дисковая конструкция

Эта конструкция (рис. 2.14) характерна для высокочастотных керамических конденсаторов: на керамический диск I с двух сторон вжигаются серебряные обкладки 2 и 3, к которым присоединяются гибкие выводы 4. Емкость такого конденсатора определяется площадью обкладок и рассчитывается по (2.19).

г) Литая секционированная конструкция.

Эта конструкция характерна для монолитных многослойных керамических конденсаторов (рис. 2.15), получивших в последние годы широкое распространение, в том числе в аппаратуре с ИМС.

Такие конденсаторы изготовляют путем литья горячей керамики, в результате которого получают керамическую заготовку I с толщиной стенок около 100 мкм и прорезями (пазами) 2 между ними, толщина которых порядка 130-150 мкм. Затем эта заготовка окунается в серебряную пасту, которая заполняет пазы, после чего осуществляют вжигание серебра в керамику.

В результате образуются две группы серебряных пластин, расположенных в пазах керамической заготовки, к которым припаиваются гибкие выводы. Снаружи вся структура покрывается защитной пленкой. В конденсаторах, предназначенных для установки в гибридных ИМС, гибкие выводы отсутствуют, они содержат торцевые контактные поверхности, которые присоединяются к контактным площадкам ГИС.

д) Рулонная конструкция.

Эта конструкция (рис. 2.16) 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 применяется тонкая металлическая пленка толщиной менее 1 мкм, нанесенная на бумажную ленту.

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

Емкость бумажных конденсаторов достигает 10 мкф, а металлобумажных 30 мкф.

е) Подстроенные (полупеременные) конденсаторы.

Особенностью этих конденсаторов является то, что их емкость изменяется в процессе производства РЭА (регулировки), а в процессе эксплуатации емкость таких конденсаторов должна сохраняться постоянной и не изменяться под воздействием вибрации и ударов.

Они могут быть с воздушным или твердым диэлектриком. На рис. 2.17 показано устройство подстроенного 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, величина этой емкости составляет несколько десятков пикофарад. От ротора и статора сделаны внешние выводы 3 и 4. Плотное прилегание ротора к статору обеспечивается прижимной пружиной 5.

На рис. 2.18 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. Посредствам пружины - токосъема 6 ротор подключается к соответствующим точкам принципиальной схемы. Крепление конденсатора осуществляется с помощью колонок 7, имеющих внутреннюю резьбу.

ж) Кондерсаторы переменной емкости.

Емкость этих конденсаторов может плавно изменяться в процессе эксплуатации РЭА, например, для настройки колебательных контуров. Так же, как и подстроечный конденсатор, он состоит из статора и ротора, но в отличие от подстроечных количество роторных и статорных пластин велико, что необходимо для получения максимальной емкости порядка 500 пф. Как правило, эти конденсаторы имеют воздушный диэлектрик. На рис. 2.19 показано устройство трехсекционного конденсатора переменной емкости. Каждая секция служит для настройки своего колебательного контура. Такие конденсаторы применяются в радиоприемной аппаратуре. Конструктивной основой является корпус 4, содержащий валики крепления 7 и планку крепления 9, в котором размещены статорная и роторная секции. 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.

Конденсаторам обыкновенно на практике придают форму либо лейденских банок (рис. 1), либо пластинчатых конденсаторов (рис. 2). Эти последние состоят обыкновенно из целого ряда тонких металлических пластин, проложенных тонким изолирующим слоем провощенной или парафинированной бумаги, слюды, эбонита и т.п. Четные пластинки b, d, f, h соединяются вместе и образуют одну обкладку, нечетные a, c, e, g - другую. Иногда, если конденсатор должен служить для весьма больших разностей потенциалов, его всего погружают в ящик с маслом.

Батарея лейденовских банок. Рис. 2 Пластинчатый конденсатор

2.2 Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы - конденсаторы которые в качестве диэлектрика используют тонкую оксидную пленку, нанесенную на поверхность одного из электродов (металлического) - анода, а в роли второго электрода - катода - выступает электролит.

Электролит - вещество, расплав или раствор которого проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, однако само вещество электрический ток не проводит. Примерами электролитов могут служить растворы кислот, солей и оснований. Электролиты - проводники второго рода, вещества, которые в растворе (или расплаве) состоят полностью или частично из ионов и обладающие вследствие этого ионной проводимостьюГлавная особенность электролитических конденсаторов состоит в том, что они, по сравнению с другими типами конденсаторов, обладают большой ёмкостью при достаточно небольших габаритах, кроме того, они являются полярными электрическими накопителями, иначе говоря, должны включаться в электрическую цепь с соблюдением полярности. Существуют и «неполярные» электролитические конденсаторы, но при равной емкости их габариты больше (как и цена).

Электролитические конденсаторы устроены, как правило, следующим образом: слой электролита заключается между электродами с металлическим типом проводимости, один из которых покрыт тонким слоем диэлектрика (оксидной плёнкой). За счёт чрезвычайно малой толщины диэлектрика, ёмкость конденсатора достигает значительных величин. Однако, соприкосновение двух проводящих пластин, разделённых тонким диэлектриком не является идеальным, для устранения воздушного зазора, в пространство между пластинами вводят электролит. В качестве электролита часто используют концентрированные растворы кислот и щелочей.

Электролитический конденсатор

По типу наполнения электролитом электролитические конденсаторы можно разделить на: жидкостные, сухие, оксидно-полупроводниковые и оксидно-металлические.

В жидкостных конденсаторах используют жидкий электролит, для увеличения ёмкости анод изготавливают объёмно-пористым, например, путем прессования порошка металла и спекания его при высокой температуре. В сухих конденсаторах применяется вязкий электролит. В этом случае конденсатор, изготавливается из двух лент фольги (оксидированной и неоксидированной), между которыми размещается прокладка из бумаги или ткани, пропитанная электролитом. В оксидно-полупроводниковых конденсаторах в качестве катода используется проводящий оксид (диоксид марганца). В оксидно-металлических функции катода выполняет металлическая пленка оксидного слоя.

Изготовляемые промышленностью алюмиевые электролитические конденсаторы состоят из двух тонких алюминиевых пластин. Между пластинами помещается бумага, пропитанная электролитом. Данная сборка сворачивается спиралью и упаковывается в корпус с двумя электрическими выводами. Под действием электролита и приложенного электрического напряжения, алюминиевая фольга анода окисляется, на поверхности фольги образуется тонкий слой диэлектрика - оксида алюминия.

Приложенное внешнее напряжение влияет на срок службы конденсатора. При отсутствии напряжения, либо напряжении обратной полярности, процесс регенерации диэлектрического слоя прекращается, он постепенно разрушается, приводя к повышенным значениям токов утечки, что приводит к повреждению электрической схемы, причем все это сопровождается выделением тепла, появлением дыма и ядовитых испарений в самом конденсаторе, что может привести ко взрыву. Поэтому, электролитические конденсаторы способны работать лишь в цепях с пульсирующим, либо постоянным током.