СОДЕРЖАНИЕ

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ В РАДИО ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

Специфика использования конденсаторов постоянной емкости в РЭА в большой степени связана с электрофизическими свойствами диэлектриков, а также конструкцией элементов.

Конденсаторы с воздушным диэлектриком обладают большими размерами и стоимостью. Применяются лишь в колебательных контурах мощных генераторов и в качестве образцовых эталонов емкости.

Конденсаторы с неорганическими диэлектриками (кроме оксидных) отличаются высокой стабильностью и малой удельной емкостью.

Конденсаторы с органическим диэлектриком имеют достаточно высокую удельную емкость, но пониженную стабильность.

Рассмотрим конструкции и области применения некоторых типов конденсаторов с твердым диэлектриком.

В слюдяных конденсаторах в качестве диэлектрика используются нормализованные пластины из конденсаторной слюды толщиной 0,2 - 0,6 мм. Обкладки выполняются из фольги или наносятся способом металлизации.

Конструктивно слюдяной конденсатор представляет собой плоский пакет, в котором пластины слюды чередуются с металлическими обкладками, как показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Конструкция слюдяных конденсаторов

Слюдяные конденсаторы по способу защиты пакета от воздействия внешней среды делятся на открытые, опрессованные в пластмассу, герметизированные. Сопротивление изоляции слюдяных конденсаторов 7,5...50 ГОм, добротность превышает 1000. Применяются в качестве контурных, переходных, разделительных, блокировочных, а также элементов различных фильтров.

Керамические конденсаторы представляют собой пластинки, диски или трубки из керамики с нанесенными на них электродами из металла. Для защиты от внешних воздействий их окрашивают эмалями или герметизируют, покрывая эпоксидными компаундами либо заключая в специальный корпус.

Наиболее простые конструкции керамических конденсаторов показаны на рис. 3.6 и 3.7.

Рис. 3.6. Конструкция трубчатого керамического конденсатора

Рис. 3.7. Конструкция дискового конденсатора

Для керамических конденсаторов: сопротивление изоляции не менее 5...10 ГОм; 1д 8 = 0,0012...0,0015 на частоте 1 МГц.

Существенным недостатком трубчатых и дисковых конденсаторов является небольшая удельная емкость. Этот недостаток устранен в литых и монолитных керамических конденсаторах.

Литые секционированные конденсаторы представляют собой керамическую призму, разделенную тонкими перегородками на секции. На эти перегородки наносится металлизация, при этом образуется группа конденсаторов, соединенных параллельно. Достигается большая удельная емкость (до 0,8 мкФ/см³).

Монолитные конденсаторы состоят из чередующихся тонких керамических слоев с нанесенными на них обкладками, спрессованными при высокой температуре в монолитный пакет, покрытый защитной оболочкой.

Существует высокочастотная и низкочастотная керамики. Низкочастотная при более низких добротности и стабильности позволяет получить большую удельную емкость.

Керамические конденсаторы применяются в качестве контурных, блокировочных, разделительных, проходных и опорных.

Стеклянные конденсаторы представляют собой монолитные спеченные блоки из чередующихся слоев стеклянной пленки и алюминиевой фольги. Обладают повышенной теплостойкостью и добротностью. Сопротивление изоляции 10.50 ГОм. Назначение и основные параметры те же, что и у керамических конденсаторов.

Стеклокерамические конденсаторы по конструкции подобны стеклянным. Диэлектриком служит стекло с добавкой высокочастотной керамики. По электрическим параметрам близки к керамическим и стеклянным.

Стеклоэмалевые конденсаторы по конструкции подобны стеклянным. Диэлектриком в них служит стекловидная эмаль, обкладками - слои серебра. Характеризуются высоким сопротивлением изоляции (более 20 ГОм ), высокой добротностью (порядка 700 на частоте 1 МГц), повышенной теплостойкостью.

Бумажные конденсаторы конструктивно выполняются из двух длинных полос алюминиевой или свинцовой фольги, разделенных несколькими слоями бумаги толщиной от 4 до 15 мкм, свернутых в виде круглого или овального рулона. Для повышения электрической прочности и стабильности конденсатор пропитывают парафином, церезином, вазелином, маслом или специальными компаундами.

В металлобумажных конденсаторах металлические обкладки наносят методом вакуумного испарения непосредственно на лакированную основу бумажной ленты (рис. 3.8). Их особенностью является способность к самовосстановлению при пробое.

Рис. 3.8. Структура металлобумажных конденсаторов

По электрическим показателям бумажные конденсаторы значительно уступают слюдяным и керамическим (tgδ « 0,01), имеют большую собственную индуктивность. Применяются в качестве блокировочных, шунтирующих, низкочастотных переходных, элементов сетевых фильтров.

В пленочных и металлопленочных конденсаторах диэлектриком является тонкая пленка из пластмассы (полистирол, фторопласт). Обкладками служат металлическая фольга или тонкий слой металла, нанесенный на пленку.

Для этих конденсаторов характерна большая добротность (до 2000), большое сопротивление изоляции (до 10⁵ ГОм), высокая температурная стабильность. Применяются в цепях относительно высокой частоты, импульсных устройствах.

Оксидные электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы в качестве диэлектрика содержат оксидный слой (толщиной 0,01...1 мкм) на металле.

Оксидированный металл является первой обкладкой (анодом) таких конденсаторов. Второй обкладкой (катодом) - электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесенный непосредственно на оксидный слой (рис. 3.9).

Аноды изготовляются из алюминиевой, танталовой или ниобиевой фольги.

При одинаковых электрических параметрах танталовые конденсаторы имеют меньший объем, чем конденсаторы с алюминиевыми электродами.

Рис. 3.9. Устройство оксидно-полупроводникового конденсатора

Оксидные конденсаторы отличается большой удельной емкостью, используются в цепях постоянного и импульсного тока: фильтрах выпрямителей, как блокировочные и переходные на низких частотах. Однако недостатки таких конденсаторов - значительные токи утечки и большие потери.

В неполярных электролитических конденсаторах обе обкладки содержат оксидный слой.

Рассмотрим некоторые характерные особенности применения конденсаторов в РЭА, присущие всем типам конденсаторов.

Явление абсорбции. При кратковременном коротком замыкании заряженного конденсатора напряжение на нем падает до 0, но после размыкания восстанавливается до некоторого значения (рис. 3.10). Это явление называют абсорбцией. Как следствие, в высоковольтных цепях возникают опасные (поражающие) напряжения для человека при проведении ремонтных работ, а в низковольтных - ложные срабатывания импульсных схем. Проявляется абсорбция обычно в конденсаторах с многослойным неоднородным диэлектриком.

Рис. 3.10. Изменение заряда на конденсаторе при абсорбции

Явление абсорбции моделируется эквивалентной схемой, изображенной на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Эквивалентная схема для моделирования абсорбции

Абсорбция поясняется тем, что емкость конденсатора может рассматриваться состоящей из двух частей: основной С' и дополнительной С", связанной с наличием зарядов на неоднородностях и поверхностях раздела. Сопротивление R' имитирует постоянную времени заряда емкости.

При кратковременном замыкании конденсатора полностью разрядится успевает лишь емкость С'. После размыкания происходит перераспределение зарядов, сохранившихся на С". Этот процесс характеризует коэффициент абсорбции

К_а = U_восст / U₀

Характерные значения коэффициента абсорбции (в %) для пленочных конденсаторов 0,003...0,7; бумажных 0,6...5; слюдяных 1,5...5; керамических 5.15; оксидных 1.5,5.

Работа конденсаторов в высокочастотных цепях. Помимо емкости С конденсатор обладает также активным сопротивлением потерь К и собственной индуктивностью L, состоящей из индуктивности самого конденсатора (рабочего элемента), внешних и внутренних соединительных проводников (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Эквивалентная схема конденсатора по ВЧ

Присутствие индуктивности приводит к зависимости полного сопротивления конденсатора Ъ_с от частоты и вызывает появление резонансных явлений в конденсаторе. При резонансной частоте сопротивление этой цепи минимально и равно активному сопротивлению потерь. На других частотах полное сопротивление конденсатора имеет реактивный характер, на низких частотах - емкостной, на высоких -индуктивный. Качественную зависимость Ъ_с от частоты показано на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Резонансные явления в конденсаторах

Корректное использование конденсатора возможно лишь на частотах ниже резонансной, на которых он имеет емкостное сопротивление. Необходимо, чтобы максимальная работа частоты была в 2 - 3 раза ниже собственной резонансной частоты. Приближаясь к резонансу, резко возрастает зависимость полного сопротивления от частоты. Это ограничивает применение конденсаторов большой емкости на высоких частотах.

Для понижения индуктивности следует уменьшить размеры конденсаторной секции, выполнять выводы не из проволоки, а из ленты и делать их возможно более короткими, а иногда изготавливать безвыводные конденсаторы (как правило керамические) с металлизированными торцами, которыми они непосредственно впаиваются в схему.

Надежность работы конденсаторов зависит от условий эксплуатации последних

Под влиянием температуры изменяется также добротность конденсатора. Это вызывается изменениями сопротивления проводников и диэлектрических потерь в диэлектрике.

Под действием влажности изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика, сопротивление изоляции и потери. Влагостойкость конденсатора обеспечивают применением негигроскопичных веществ, например негигроскопичных диэлектриков (керамики конденсаторной), пропиткой гигроскопичных диэлектриков негигроскопичными смолами, восками, компаундами, обволакиванием, опрессовкой конденсатора пластмассами, покрытием эмалями и герметизацией.

Эксплуатация РЭА на летательных аппаратах обычно происходит при пониженном атмосферном давлении, что приводит к уменьшению емкости и электрической прочности конденсаторов.

Надежной защитой от изменения атмосферного давления служит герметизация. Малочувствительны к понижению давления вакуумные конденсаторы.

Наиболее частыми причинами внезапных отказов конденсаторов являются пробой диэлектрика и перекрытие между закраинами. Они вызываются недостатками конструкции и скрытыми производственными дефектами, приводят к уменьшению электрической прочности.

К таким дефектам относятся воздушные включения, способствующие ионизации и коронному разряду с выделением углерода даже при напряжениях 300...500 В.

Еще один вид специфических отказов - потеря контактного соединения между обкладками и выводом, возникающая лишь при малых напряжениях. Такое явление свойственно алюминиевым обкладкам с накладными выводами и обусловлено возникновением на алюминиевой поверхности тонкой окисной пленки.

Постепенные отказы вызываются в основном процессами старения и окисления за счет увеличения потерь и уменьшения сопротивления изоляции.

Можно показать, что интенсивность и срок службы конденсаторов при различных напряжениях и температурах находятся из следующих соотношений:

λ = λ_н (K_н)^m, K_н = U_раб / U_ном

где λ - интенсивность отказов при нормальных условиях; К_н - коэффициент нагрузки; U_ном - номинальное напряжение; U_раб - рабочее напряжение; m - показатель степени, величина которого зависит от вида диэлектрика (для керамики т = 3.5; бумаги - 4.6; других диэлектриков - 6.7).

Длительность эксплуатационной пригодности конденсатора оценивают выражением

D = D_п (K_н)^-n • exp(-0,0693•∆T),

где D_п - срок службы при нормальных условиях эксплуатации; ∆T -температура перегрева над нормальной (20 °С); n - показатель степени (для керамических конденсаторов 3, для бумажных 5.15).

Работа ЭА на космических аппаратах, объектах атомной энергетики предусматривает воздействие ионизирующих излучений. Воздействие последних приводит к нарушению структуры материалов, ухудшению электрической и механической прочности.

Конденсаторы с органическими диэлектриками более чувствительны к воздействиям ионизирующего излучения, чем конденсаторы с неорганическими диэлектриками. Наиболее устойчивы к воздействию ионизирующего излучения керамические конденсаторы.

Дозиметрические конденсаторы работают в цепях с очень низким уровнем токовых нагрузок. Поэтому они должны обладать очень малым саморазрядом, большим сопротивлением изоляции (большой постоянной времени). Лучше всего этим требованиям удовлетворяют фторопластовые конденсаторы.