Конденсаторы широко используются в РЭА. Они составляют примерно 25% всех элементов принципиальной схемы.
Принцип действия конденсаторов основан на его способности накапливать электрические заряды на металлических обкладках при приложении к ним напряжения. Количественной мерой этой способности является емкость конденсатора. В простейшем случае он представляет собой две металлические пластины, разделенные слоем диэлектрика. Емкость такого конденсатора (в пФ):
Классификация и конструкции конденсаторов. Различают конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения подразделяют на низкочастотные и высокочастотные. К конденсаторам специального назначения относят высоковольтные, помехоподавляющие, импульсные, дозиметрические, конденсаторы с электрически управляемой емкостью (варикапы, вариконды) и др.
Конденсаторы классифицируют:
- по назначению (контурные, разделительные, блокировочные, фильтровые и т. д.);
- характеру изменения емкости (постоянные, переменные, полу-переменные, т. е. подстроенные);
- материалу диэлектрика (с твердым, газообразным и жидким диэлектриком); в радиоэлектронной аппаратуре конденсаторы с жидким диэлектриком практически не используются;
- способу крепления (для навесного и печатного монтажа, для микромодулей и микросхем).
Рассмотрим типичные конструкции конденсаторов.
Пакетная конструкция представляет собой пакет чередующихся металлических и диэлектрических пластин или тонких пленок. На рис. 14.10 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 (в пФ):
Такая конструкция применяется в слюдяных, стеклоэмалевых, стеклокерамических и некоторых типах керамических конденсаторов.
Трубчатая конструкция (рис. 14.11) 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 ними изолирующий поясок 5. Снаружи на трубку наносят защитную пленку из изолирующего материала.
Дисковая конструкция характерна для высокочастотных керамических конденсаторов. Такая конструкция представляет собой керамический диск с нанесенными с обеих сторон серебряными обкладками, к которым присоединены гибкие выводы.
Литая секционированная конструкция характерна для монолитных многослойных керамических конденсаторов, получивших в последние годы широкое распространение, в том числе в ИМС.
Рулонная конструкция характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов, обладающих большой емкостью. Бумажный конденсатор образуется путем свертывания в рулон бумажной ленты толщиной около 5-6 мкм и ленты из металлической фольги толщиной около 10-20 мкм. В металлобумажных конденсаторах вместо фольги применяют тонкую металлическую пленку толщиной менее 1 мкм, нанесенную на бумажную ленту.
Подстроенные конденсаторы. Особенностью этих конденсаторов является то, что их емкость в процессе регулировки РЭА изменяется, а в процессе эксплуатации она должна быть постоянной и не должна изменяться под воздействием вибрации и ударов. Они могут быть с воздушным или твердым диэлектриком. На рис. 14.12 показано устройство подстроечного конденсатора с твердым диэлектриком типа КПК (конденсатор подстроенный керамический).
Такой конденсатор состоит из основания 2 (статора) и вращающегося диска 1 (ротора). На основание и диск напылены серебряные пленки полукруглой формы. При вращении ротора изменяется площадь перекрытия пленок, а следовательно, и емкость конденсатора. Как правило, минимальная емкость (когда пленки не перекрыты) составляет несколько пикофарад, при полном перекрытии пленок емкость конденсатора будет максимальной - несколько десятков пикофарад. У ротора и статора имеются внешние выводы 3 и 4. Плотное прилегание ротора к статору обеспечивается прижимной пружиной 5.
На рис. 14.13 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 1, имеющих внутреннюю резьбу.
Конденсаторы переменной емкости. Емкость этих конденсаторов может плавно изменяться в процессе эксплуатации РЭА, например при настройке колебательных контуров. Так же, как и подстроенный, конденсатор переменной емкости состоит из статора и ротора, но в отличие от подстроечного количество роторных и статорных пластин в нем больше, что необходимо для получения максимальной емкости порядка 500 пФ. Как правило, эти конденсаторы имеют воздушный диэлектрик.
Основные технические параметры конденсаторов. Номинальная емкость, допустимое отклонение и рабочее напряжение. Применяемые в радиоэлектронной аппаратуре конденсаторы имеют емкость от единиц пикофарад до тысяч микрофарад (1Ф = 106мкФ = 109нФ = 1012 пФ). Номинальная емкость не может быть выбрана произвольно. Ее выбирают из ряда чисел, устанавливаемых соответствующими стандартами.
Номинальная емкость Снон и допустимое отклонение от номинала ± АС. Номинальные значения емкости Сном высокочастотных конденсаторов, так же, как и номинальные значения сопротивлений, стандартизованы и определяются параметрическими рядами Е6, Е12, Е24 и т. д. (см. табл. 14.1), номинальные значения емкости электролитических конденсаторов - параметрическим рядом: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 300; 500; 1000; 2000; 5000 мкФ, номинальные значения емкости бумажных пленочных конденсаторов - параметрическим 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 точности, которые приведены в табл. 14.4.
Наиболее широкое применение получили конденсаторы I, II и III классов точности, они соответствуют параметрическим рядам Е24, Е12 и Е6.
В зависимости от назначения в РЭА используются конденсаторы различных классов точности. Так, блокировочные и разделительные конденсаторы обычно выбирают со II и с III классами точности, контурные конденсаторы обычно имеют I, 0 или 00 классы точности, фильтровые - IV, V и VI классы.
Электрическая прочность конденсаторов характеризуется значением напряжения рабочего и испытательного напряжения и зависит от изоляционных свойств диэлектрика.
Рабочим называют максимальное напряжение, которое конденсатор может выдержать длительное время при сохранении основных параметров в допустимых пределах. Испытательным называют максимальное напряжение, которое конденсатор выдерживает в течение малого промежутка времени (10-60 с). В зависимости от типа конденсатора испытательное напряжение равно 110-300% от рабочего. В технической документации указывают номинальное напряжение, т. е. максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать длительное время при соблюдении условий, указанных в технической документации. Для повышения надежности РЭА конденсаторы используют при напряжении меньше номинального.
Наибольшая опасность пробоя между выводами по воздуху появляется во время эксплуатации конденсаторов при пониженном атмосферном давлении, так как в этом случае электрическая прочность воздуха уменьшается.
Сопротивление изоляции конденсатора зависит от удельного объёмного и поверхностного сопротивления диэлектроика, а также от его размеров.
Значительные токи утечки, которые появляются при малом сопротивлении изоляции, в отдельных случаях могут привести к нарушению работоспособности схемы.
Промышленность выпускает конденсаторы с сопротивлением изоляции в нормальных условиях до 10.000 МОм. Значение сопротивления изоляции уменьшается при повышении температуры окружающего воздуха и повышенной влажности. Для защиты от воздействия влаги многие конденсаторы имеют герметизированные корпуса.
Температурная стабильность емкости. При изменении температуры окружающего воздуха происходит изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика, площадки обкладок и зазоров между ними, в результате чего меняется емкость.
Стабильность емкости определяется ее изменением под воздействием внешних факторов. Наибольшее влияние на емкость оказывает температура. Ее влияние оценивают температурным коэффициентом емкости (ТКЕ):
Изменение емкости обусловлено, прежде всего, изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика, а также линейных размеров обкладок конденсатора и диэлектрика.
У высокочастотных конденсаторов величина ТКЕ не зависит от температуры, она «указывается» на корпусе конденсатора путем окраски корпуса в определенный цвет или 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. По величине температурной нестабильности низкочастотные конденсаторы разделены на три группы: Н20 - ± 20%; Н30 - ± 30%; Н90 - + 50-90%.
Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом старения:
Потери энергии в конденсаторах обусловлены электропроводностью и поляризацией диэлектрика. При пропускании через конденсатор
