Комбинированные конденсаторы

Комбинированные конденсаторы выпускают низковольтными и высоковольтными. При создании высоковольтных конденсаторов часто используют комбинированный диэлектрик, состоящий из слоев различных диэлектрических материалов (например, пленки, бумаги, слоя лака) и слоя жидкого диэлектрика (конденсаторная бумага, пропитанная специальным раствором). Такие конденсаторы элек­трически прочнее бумажных, имеют более высокое сопротивление диэлектрика и стабильность емкости во время эксплуатации. Кроме того, комбинированные конденсаторы с успехом применяют в им­пульсных цепях (цепях быстрого заряд-разряда) при минимально возможном искажении импульсов, благодаря малой внутренней ин­дуктивности, относительно высокой емкости и способности пропус­кать большие токи за короткий интервал времени.

Наибольшее применение в конструкциях РЭС имеют низко­вольтные комбинированные конденсаторы типов К75-10; К75-12; К75-17; К75-18; К75-37; К75-24; К75-27; К75-31; К75-37; К75-38; К75-41; К75-42; К75-43; К75-44; К75-52; К75-57; К75-59; К75П-4, предназначен­ные для подавления импульсных помех. Они оформляются в метал­лическом или пластмассовом корпусе, имеют диапазон номинальных емкостей от 470 пФ до 6, 8 мкФ при напряжениях 63...1600 В. Диапа­зон рабочих температур ; диэлектриче­ские потери.

БУМАЖНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Это один из самых старых типов конденсаторов, но, тем не менее, все ещедостаточно часто используется какимеющий низкую стоимость. Чаще всего применяются малогабаритные низкочастотные бумажные конденсаторы типов БМ-2; БМТ-2 и типов МБМ, МБГО с металлизированными обкладками и удовлетворительной стабильностью характеристик в период эксплуатации.

Диапазон номинальных емкостей 470 пФ...1О мкФ с допусками ± 5%, ± 10%, ± 20%; рабочие напряжения 200...1000 В; диапазон до­пустимых температур - 60…+70°С (+100°С для БМТ-2); диэлектриче­ские потери 1/°С. Высоковольтные бумажные и металлобумажные конденсаторы типов К41-1; КБГ предназначены для работы в цепях постоянного тока, а конденсаторы МБГВ, К42И-1; К41И-7; К42-12 - в импульсных цепях.

ОКСИДНЫЕ (ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ) КОНДЕНСАТОРЫ

Оксидные конденсаторы {прежнее название «электролитиче­ские») предназначены для использования в выпрямителях, сглажи­вающих фильтрах и в других электрических цепях, где необходима значительная емкость конденсатора. Высокая удельная емкость та­ких конденсаторов обусловлена тонкой окисной пленкой, образован­ной на металле электродов. В конструкции наиболее массовых алю­миниевых конденсаторов применяется диэлектрическая пленка ок­сида алюминия Аl₂O₃ с относительной диэлектрической проницае­мостью около 10. Схемы, поясняющие устройство оксидных конден­саторов, изображены на рис. 28.

Рис. 28. Схемы устройства оксидных конденсаторов:

а - жидкостного; б - сухого; в - сухого неполярного;

г – оксидно-полупроводникового; д - оксидно-металлического.Обозначения: 1 - металлическая обкладка; 2 - оксидный слой; 3 - жидкий электролит; 4 - катодная фольга; 5 - вязкий электролит в волокнистой или пористой прокладке; 6 - слой полупроводника; 7 - слой графита; 8 - слой металла, нанесенный напылением; 9 - слой металла, нанесенный испарением

Анодную обкладку 1алюминиевого оксидного конденсатора (см. рис. 28) изготавливают из гладкой алюминиевой фольги или специ­ально подготовленной травленой алюминиевой фольги, у которой поверхность обработана веществами, растворяющими алюминий. Травленая фольга имеет в 3-4 раза большую площадь поверхности, чем гладкая, что обеспечивает повышение удельной емкости конден­сатора. Однако за счет глубокого травления снижается морозостой­кость конденсаторов (эксплуатация при температуре не ниже -40°С).

Оксидный слой 2 в оксидных конденсаторах имеет относи­тельно толстую аморфную или мелкокристаллическую структуру, под которую наносят более плотный тонкий слой оксида. Значитель­ная пористость толстых слоев оксида позволяет интенсивно пропи­тывать его электролитом и служить своеобразной прокладкой 5 кон­денсатора. Гладкая фольга 4 обеспечивает электрический контакт с электролитом по всей поверхности прокладки, что снижает элек­трическое сопротивление этой обкладки конденсатора. При замене неоксидированной фольги оксидированной получается неполярный оксидный конденсатор (рис. 28, в).

Анодная обкладка, как и слой оксида, полярного оксидного конденсатора при его работе в электрической цепи должна нахо­диться под положительным потенциалом. При отрицательном по­тенциале проводимость оксида, в силу его полупроводящих свойств, резко возрастает и может вызвать протекание через конденсатор значительного тока, приводящий к разогреву и разрушению конден­сатора. Именно свойства оксидного слоя делают конденсатор этого типа полярным, допускающим работу только на постоянном или пульсирующем токе.

Рис. 29. Оксидные конденсаторы типов К50-20; К52-8; К53-14; К53-30

Внешний вид некоторых ок­сидных конденсаторов представлен на рис. 29.

Свойства оксидного слоя алюминиевых конденсаторов не позволяют получить их рабочее напряжение более 600 В, а танта­ловых - более 175 В. При мини­мальной толщине алюминоксида в 10 мкм рабочее напряжение кон­денсатора составляет 3 В.

Для изготовления анодной фольги применяется особо чистый алюминий, поскольку наличие примесей приводит к интенсивной коррозии обкладки и отказу конденсатора.

Алюминиевые оксидные конденсаторы общего назначения имеют диапазон номинальных емкостей от 0, 1 мкФ (К50-40) до 200 000 мкФ (К50-18) с допусками +80…-20% при напряжениях 6 В (К50-6)... 450 В (К50-7); пределы изменения рабочей температуры от -10...+40°С (К50И-8) до -60...+155°С (К50-48); температурный коэффициент не нормируется. К неполярным алюминиевым оксидным конденсаторам относятся - К50-45; К50-52; к оксидно-полупроводниковым - К53-40; К53-42; к жидким - электролитические конденсаторы типов К50-32; К50-33.

Кроме алюминиевых существуют конденсаторы с оксидными слоями тантала (диэлектрическая проницаемость Та₂О₅ составляет около 27) и ниобия (диэлектрическая проницаемость Nb₂O₅ на уров­не 40).

Танталовые оксидные конденсаторы общего назначения име­ют диапазон номинальных емкостей от 0, 68 мкФ (К53-34) до 1500 мкФ (К53-29) с допусками ±10%; ± 20%; ± 30% при напряжениях 1, 6 В (К53-16)...50 В (К53-16); пределы изменения температуры -6О...+85°С; температурный коэффициент не нормируется. К объем­но-пористым относятся танталовые оксидные конденсаторы К52-1; К52-5; к оксидно-полупроводниковым - К53-7; К53-15; К53-16; К53-18; К53-22; К53-25; К53-28...30; К53-32; К53-34...38.

Ниобиевые оксидные конденсаторы общего назначения имеют диапазон номинальных емкостей от 0, 68 мкФ (К53-27) до 100 мкФ (К53-21) с допусками ± 20%; ± 30% при напряжениях 3, 2 В (К53-19)... 50 В (К53-4А); пределы изменения температуры -60...+85°С; температурный коэффициент не нормируется. К оксидно-полупро­водниковым относятся следующие ниобиевые оксидные конденса­торы: К53-4А; К53-19; К53-21; К53-27; К53-31.

Особенности применения конденсаторов

Конденсаторы составляют значительную долю общего количе­ства компонентов РЭС и поэтому оказывают заметное влияние на надежность собранных устройств.

При создании новых РЭС разработчик из множества выпус­каемых компонентов выбирает конкретные их типы, исходя из необ­ходимости обеспечения режимов работы компонентов в пределах установленных норм (напряжение, ток, мощность, температура и др.). Ввиду множества разновидностей конденсаторов их выбор для конкретного схемотехнического решения и условий будущей экс­плуатации не всегда однозначен.

Рекомендации по применению конденсаторов направлены, главным образом, на обеспечение таких условий работы конденсато­ров, которые позволяют ожидать высокой их эксплуатационной на­дежности. Следует отметить, что в современных РЭС доля конденса­торов составляет около 20-30%, а выход из строя устройств по при­чине отказа конденсаторов - около 3-10%. Практически все отказы обусловлены либо условиями эксплуатации, способствующими разви­тию физико-химических процессов в диэлектрике, либо дефектами, внесенными в процессе производства, и конструктивными причинами.

Большинство отказов конденсаторов (в среднем) вызвано пробоем диэлектрика (около 80%) и постепенной потерей емкости (около 15%). Это соотношение существенно зависит от типа конден­саторов.

Ионизационный пробой диэлектрика чаще всего возникает под воздействием переменного электрического поля (особенно при вы­соких амплитудах и частоте) в тех местах материала, где сосредото­чены его локальные неоднородности (поры, воздушные зазоры меж­ду диэлектриком и пластинами). На постоянном токе доминируют отказы, вызванные химической активностью дендритов¹, обладаю­щих изменчивой ионной проводимостью и переносом ионов, и элек­тронной проводимостью диэлектрика в сильных электрических по­лях. Повышение температуры и влажности окружающего воздуха интенсифицирует указанные процессы.

При небольших рабочих напряжениях (менее 10 В) проявляет­ся неустойчивость электрических контактов соединений выводов конденсаторов с обкладками (у тех типов конденсаторов, где ис­пользуется контакт давлением: пленочных, слюдяных, некоторых оксидных) и постепенно растет угол диэлектрических потерь.

Рис. 30. Резистивный усилитель, в который включены конденсаторы раз­личного функционального назначения

В табл. 8 перечислены основные области функцио­нального применения конден­саторов с различными диэлек­триками и их цифробуквенное обозначение.

На рис. 30 приведен пример резистивного каскада с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером. В этом каскаде конденсаторы использованы в качестве: раз­делительного С_р; фильтрового (развязывающего) С_ф; шунти­рующего С_ш; нагрузочного С_н.

При длительной работе на постоянном токе в материале ди­электрика действует электрическое поле, которое вместе с темпера­турой окружающей среды и ее влажностью провоцирует электрохи­мические процессы окисления, деградации, диффузии, полимериза­ции, миграции и др. Уровень влияния этих процессов на характери­стики конденсаторов зависит от особенностей конструкции, качества использованных материалов и условий эксплуатации.

Таблица 8. (Начлао) Области применения конденсаторов

Таблица 8. (Продолжение) Области применения конденсаторов

Таблица 8. (окончание)Области применения конденсаторов

Поскольку эквивалентная схема замещения конденсатора на высокой частоте представляет собой последовательный колеба­тельный контур, следует обязательно иметь в виду, что конденсатор выполняет свои функции только на частотах ниже резонансной.

Работу конденсатора в электрической цепи может сопровож­дать эффект «мерцания» емкости (небольшое скачкообразное из­менение емкости конденсатора, имеющего металлизированные об­кладки), вызванный образованием в металлической пленке изолиро­ванных островков металла, которые, под действием приложенного электрического поля и температуры, могут электрически спонтанно подключаться к металлизации обкладки, увеличивая емкость. В мо­мент подключения образуется микродуга, являющаяся причиной по­явления дополнительных потерь и случайных шумов. Изменение емкости при этом явлении составляет десятые доли процента от номинала и растет с повышением приложенного напряжения.

Конструктивно конденсаторы выполняются в незащищенном, защищенном, неизолированном, изолированном, уплотненном и герметизированном вариантах. Незащищенные конденсаторы можно применять только в составе герметизированного узла. Защищенные конденсаторы - в РЭС любой конструкции. Неизолированные кон­денсаторы (имеющие, как правило, тонкое лакокрасочное покрытие) следует монтировать так, чтобы они не касались своим корпусом других компонентов и токоведущих частей узла. Уплотненные кон­денсаторы снабжаются корпусом в виде оболочки из органических материалов. Герметичные конденсаторы имеют металлокерамические или стеклянные корпуса.

При наличии заметных механических воздействий в период эксплуатации конденсаторы, имеющие увеличенные размеры и массу, следует устанавливать на монтажную плату с помощью крепежного устройства (скобой, хомутиком, приклеиванием, запивкой в форму), исключающего повреждения поверхности конденсатора и его выво­дов. Допускается монтаж конденсатора вплотную (без зазора) к по­верхности печатной платы, если ее толщина не менее 2, 5...3 мм.

В составе гибридных интегральных схем и микросборок исполь­зуются специальные типы конденсаторов: К10-9; К10-9М; К1О17; К10-27; К10-28; К10-42; К10-43; К10-45; К10-47; К10-49; К10-50; К10-52; К21-5; К21-8; К21-9; К22У-1; К22-4; КТ4-27; К53-15; К53-15А; К53-22; К53-25; К53-26. Монтаж этих и подобных им конденсаторов про­изводится пайкой их тонких выводов или контактных поверхностей к плате печатного монтажа. Продолжительность пайки - не более 3 с, а мощность паяльника - не более 25 Вт. Перед пайкой конденсато­ры с тонкими выводами сначала приклеивают к плате, а безвывод­ные конденсаторы подогревают. Плата должна быть достаточно же­сткой и не коробиться при пайке.

Контрольные вопросы

1. Что показывает тангенс угла потерь?

2. На какие группы делятся конденсаторы в зависимости от вида диэлектрика?

3. Какие вещества обычно используются в качестве материала диэлектрика?

4. Какие существуют типы конструкций конденсаторов?

5. Расшифровать обозначение конденсатора по выбору преподавателя.

6. Что такое шликер и для чего он используется?

7. Перечислите основные составляющие шликера.

8. Расскажите о технологии приготовления шликера.

9. Каким образом осуществляется литье пленок из готового шликера?

10. Отличие и преимущества карундовой керамики перед другими видами керамик.

11. Перечислите основные этапы производственного цикла изготовления танталовых конденсаторов.

12. Для чего нужен стрингер?