Классификация и конструкции конденсаторов

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

По назначению конденсаторы подразделяют 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. По способу крепления различают конденсаторы для навесного и печатно­го монтажа, для микромодулей и микросхем. 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 2.12 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]

(2.20)

Трубчатая конструкция (рис. 2.13) 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.

Емкость такого конденсатора:

(2.21)

где l — длина перекрывающейся части обкладок, см;

D₁, и D₂ — наружный и внутренний диаметры трубки.

Дисковая конструкция (рис. 2.14) 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 (2.19).

Литая секционированная конструкция (рис. 2.15) 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 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. 2.16) 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 применяют тонкую металлическую пленку толщиной менее 1 мкм, нанесенную на бумажную ленту.

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:

(2.22)

где b — ширина ленты;

l — длина ленты;

d — 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).

Подстроенные (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. 2.17 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 — 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 подстроенного 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 подстроенный конденсатор, конденсатор переменной емкости состоит из статора и ротора, но, в отличие от подстроенного, 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 применяют 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.

Параметры конденсаторов

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

Номинальная емкость C_HOM и допустимое отклонение от номинала ±АС. Номиналь­ные значения емкости C_HOM высокочастотных конденсаторов так же, как и номи­нальные значения сопротивлений, стандартизованы и определяются рядами Е6, Е12, Е24 и т, д. (см. табл. 2.1). 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. 2.4).

Таблица 2.4. Классы точности конденсаторов

 

Класс	0,01	0,02	0,05			I	II	III	IV	V	VI
Допуск,%	±0,1	±0,2	±0,5	±1	±2	±5	±10	±20	-10	-20	-20
									+20	+30	+50

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):

(2.23)

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 — ±20 %; НЗО — ±30 %; Н90 — +50-90 %.

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом ста­рения

(2.24)

Потери энергии в конденсаторах обусловлены электропроводностью и поляриза­цией диэлектрика (см. подраздел «Диэлектрические потери» раздела «Электро­физические свойства диэлектрических материалов» в главе 1). Их характеризу­ют тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ. Конденсаторы с керамическим диэлектриком имеют tg δ ≈ 10^-4, конденсаторы со слюдяным диэлектриком — 10^-4, с бумажным — 0,01-0,02, с оксидным — 0,1-1,0.