WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Министерство общего и профессионального образования РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Северо-Западный заочный политехнический институт С.Д. Ханин, А.И. Адер, В.Н. Воронцов, О.В. Денисова, В.Ю. Холкин ПАССИВНЫЕ РАДИОКОМПОНЕНТЫ ЧАСТЬ I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Санкт-Петербург 1998 С.Д. Ханин, А.И. Адер, В.Н. Воронцов, О.В. Денисова, В.Ю. Холкин УДК 621.37:621.319.4.

Пассивные радиокомпоненты. Часть 1. Электрические конденсаторы: Учеб. пособие. - СПб., СЗПИ, 1998.- 86.

Представлены общие сведения о конденсаторных диэлектрических материалах и приборных структурах. Рассмотрены основные характеристики и требования, предъявляемые к конденсаторным диэлектрикам, физические принципы действия, конструкция и основы технологии изготовления основных классов конденсаторов постоянной емкости - конденсаторов с неорганическим диэлектриком, с органическим диэлектриком, конденсаторов с оксидным диэлектриком, ионисторов. Специально обсуждаются вопросы надежности и управления качеством пассивных радиокомпонентов.

Рекомендовано в качестве учебного пособия по курсу «Радиоматериалы и радиокомпоненты» для студентов специальности 200700радиотехника, по курсам «Физические основы микроэлектроники» и «Электрорадиоэлементы» для студентов специальности 200800проектирование и технология радиоэлектронных средств и направления 552500 - радиотехника.

Рассмотрено на заседании кафедры конструирования и производства радиоэлектронной аппаратуры 5 ноября 1997 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 4 декабря 1997 г.

Научный редактор: Карапетян Г.О., д-р хим. наук, проф.

Рецензенты : кафедра КиПРЭА СЗПИ (зав.каф. В.Н.Воронцов, к-т техн. наук, доцент), Карапетян Г.О., д-р хим. наук, проф.

© С.Д. Ханин, А.И. Адер, В.Н. Воронцов, О.В. Денисова, В.Ю. Холкин., 1998 г.

2 Введение Эксплуатационные характеристики радиоэлектронной аппаратуры определяются свойствами составляющих ее деталей. Детали аппаратуры, выполняющие определенные функции по отношению к электрической энергии, называют компонентами (или элементами) радиоэлектронной аппаратуры.

Различают активные и пассивные компоненты. К активным относят компоненты, способные усиливать, генерировать или преобразовывать входной электрический сигнал, в том числе электронные лампы, транзисторы, интегральные микросхемы и другие полупроводниковые приборы.

Пассивные компоненты (или, как их часто называют, радиодетали) предназначены для перераспределения электрической энергии.

К ним относят конденсаторы, резисторы, индуктивные и коммутационные элементы.

Важно отметить, что несмотря на развитие микроэлектроники дискретные пассивные компоненты не утеряли своего значения. Это обусловлено следующими причинами:

1. Интегральная электроника по ряду позиций до настоящего времени не в состоянии достигнуть свойств дискретных пассивных компонентов. Это относится, например, к емкости конденсаторов, которая у интегральных емкостных элементов не превышает 0,1 мкФ.

Конденсаторы больших емкостей являются дискретными (навесными элементами). Аналогичная ситуация имеет место и в отношении резисторов высокого сопротивления. Принципиальные трудности испытывает микроэлектроника в создании индуктивных элементов. В результате на одну интегральную схему приходится, как правило, от 2 до дискретных элементов. Если учесть, что применение интегральных схем привело к общему увеличению производства радиоэлектронной аппаратуры, становится ясной причина неуклонного роста объема производства дискретных пассивных компонентов.

2. Дискретные пассивные компоненты часто обладают большей точностью, лучшей температурной и временной стабильностью параметров, чем элементы интегральных схем.

3. Выпускаемая мировой промышленностью обширная номенклатура номиналов дискретных пассивных компонентов в целом достаточна и доступна для потребителя.

4. В последнее время значительно уменьшились габариты дискретных компонентов, что достигнуто благодаря связанному с развитием микроэлектроники изменению номенклатуры изделий в пользу компонентов, рассчитанных на низкие напряжения и мощности, использованию новых технологических приемов (в первую очередь, групповой технологии), а также применению новых материалов.

Выпускаемые промышленностью бескорпусные и безвыводные дискретные компоненты обладают как готовые изделия коэффициентом заполнения объема, близким к единице.

5. Стоимость дискретных пассивных компонентов была и остается ниже стоимости элементов интегральной электроники.

Все это приводит к тому, что интерес к пассивным дискретным компонентам, несмотря на высказываемые в отношении них на заре развития микроэлектроники мрачные прогнозы, не только не уменьшается, но и возрастает.

Вместе с тем, в отличие от активных компонентов, которым посвящена обширная литература, книг по пассивным компонентам издано крайне мало. Практически отсутствует учебная литература, отражающая современное состояние радиодеталестроения.

Данное пособие призвано восполнить в определенной степени этот пробел. Оно посвящено конденсаторам и резисторам, являющимся самыми распространенными элементами электронной аппаратуры (на долю конденсаторов приходится 25%, а доля резисторов составляет от 15 до 50% компонентов аппаратуры) и соответственно самыми массовыми изделиями электронной промышленности.

Содержание пособия отражает современные тенденции развития радиодеталестроения, к числу которых следует отнести:



поиск новых материалов и технологических приемов, обеспечивающих возможность создания конденсаторов и резисторов с высокими удельными характеристиками и стабильностью свойств;

создание технологии контроля качества, обеспечивающей повышение надежности конденсаторов и резисторов;

переход на чип-компоненты для монтажа на поверхность.

Имея в виду учебные цели, авторы ставили себе задачу изложить главным образом основные подходы, идеи и методы радиодеталестроения, владея которыми можно самостоятельно изучать современную научно-техническую литературу.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНДЕНСАТОРНЫМ ДИЭЛЕКТРИКАМ Конденсатор - это устройство, предназначенное для получения необходимых величин электрической емкости и способное накапливать и отдавать (перераспределять) электрические заряды.

Конденсатор состоит из двух (в ряде конструкций - более) проводящих тел (обкладок), разделенных диэлектриком. Как правило, расстояние между обкладками, равное толщине диэлектрика, мало по сравнению с линейными размерами обкладок. Поэтому электрическое поле, возникающее при подключении обкладок к источнику внешнего напряжения U, практически полностью сосредоточено между обкладками.

Как следует из определения, важнейшей характеристикой конденсатора является его емкость С, численно равная заряду q одной из обкладок при разности потенциалов между ними U, равной единице:

q C =, (1.1) U и измеряемая в СИ в фарадах. На практике используются более мелкие единицы емкости: микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада (пФ): 1 Ф = 106 мкФ = 109 нФ = 1012 пФ.

Емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости рабочего диэлектрика, конструкции конденсатора и его геометрических размеров. Емкость плоского конденсатора, представляющего собой две проводящие плоские параллельные пластины, разделенные диэлектриком, равна:

S C =, (1.2) d где S - площадь обкладки, d - толщина диэлектрика, - диэлектрическая проницаемость рабочего диэлектрика, - электрическая постоo янная, равная 8,85 10-12 Ф/м.

Емкость, значение которой указано на конденсаторе, называют номинальной емкостью. Номинальные значения емкостей стандартизированы и выбираются из определенных рядов чисел. В отечественной практике наиболее часто используются ряды Е3, Е6, Е12 и Е24.

Фактические значения емкостей конденсаторов могут отличаться от номинальных в пределах допустимых отклонений, которые приводятся в нормативно-технической документации в процентах.

Наряду с номинальной емкостью, на конденсаторе указывается значение напряжения, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Это значение напряжения называется номинальным напряжением.

Величина номинального напряжения зависит от физических свойств материалов, используемых в конструкции конденсатора, и самой конструкции. Оно устанавливается с необходимым запасом по отношению к пробивному напряжению диэлектрика, исключающим деградацию его свойств в течение гарантированного срока службы.

К числу других основных характеристик конденсатора, приводимых в нормативно-технической документации, относятся следующие.

Тангенс угла потерь tg, характеризующий рассеяние электрической энергии в конденсаторе, связанное с переходом этой энергии в тепловую (нагревом конденсатора) и рассеянием в окружающей среде.

Напомним, что - угол потерь, дополняющий до 90о угол сдвига между током и напряжением в цепи конденсатора и отличный от нуля в силу наличия у реального диэлектрика конечного, а у обкладок - отличного от нуля сопротивления постоянному току и запаздывания поляризации диэлектрика по отношению к изменению внешнего поля.

Значение tg при заданных внешних условиях зависит от свойств диэлектрика (на не слишком высоких частотах) и материала обкладок.

Определяющими величину tg процессами в диэлектрике являются его электропроводность и релаксационная поляризация.

Сопротивление изоляции конденсатора Rиз - сопротивление конденсатора постоянному току определенного напряжения. Данный параметр измеряется при напряжениях 10, 100 и 500 В соответственно для конденсаторов с номинальным напряжением до 100 В, 100 - 500 В и свыше 500 В. Величина сопротивления изоляции конденсатора определяется, главным образом, электроизоляционными свойствами рабочего диэлектрика (его удельным сопротивлением).

Для ряда конденсаторов сопротивление постоянному току характеризуют другим, сопряженным с Rиз параметром, - током утечки Iут, т.е. током, проходящим через конденсатор при постоянном напряжении на его обкладках. Измерение тока утечки проводят через 1 - 5 минут после подачи на конденсатор номинального напряжения. Как и сопротивление изоляции, этот параметр определяется, главным образом, изоляционными свойствами рабочего диэлектрика в приборной структуре. Отметим, что в силу характерного для конденсаторов явления падения тока со временем измеренные указанным образом Iут и Rиз=U/Iут могут на 2 - 3 порядка отличаться от установившихся значений (Iут в большую, а Rиз - в меньшую сторону). В этой связи часто различают "измеренные" и "истинные" значения Iут и Rиз. Последние определяются в результате долговременной выдержки конденсатора под напряжением или при использовании специальных измерительных методик, позволяющих сократить длительность спада тока со временем.





Коэффициент абсорбции. Диэлектрической абсорбцией называют явление восстановления напряжения на обкладках после кратковременной разрядки конденсатора и обусловленное рядом физических процессов - накоплением и релаксацией заряда, релаксационной поляризацией в диэлектрике. Коэффициент абсорбции Ка определяется как отношение остаточного напряжения к напряжению зарядки при оговоренных условиях измерения: времени зарядки, времени, в течение которого конденсатор был закорочен, и времени, прошедшего после этого. Величина Ка зависит от свойств диэлектрика и конструктивных особенностей конденсатора и должна учитываться в связи с функционированием конденсаторов в качестве накопителей энергии в импульсных режимах, а также электробезопасностью в случае применения высоковольтных конденсаторов, отключенных от источников питания.

Следующие 2 параметра определяют рабочий диапазон частот конденсаторов.

Полное сопротивление конденсатора (импеданс) Z - сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определенной частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с емкостным также активного и индуктивного сопротивлений.

Последние зависят от свойств используемых материалов и конструктивного исполнения конденсатора. Представляя реальный конденсатор в виде последовательно соединенных собственной емкости С, индуктивности L и активного сопротивления R (рис.1) и учитывая сдвиг фаз между током и напряжением на емкости (ток опережает по фазе напряжение на /2) и индуктивности (ток отстает по фазе от напряжения на /2), полное сопротивление конденсатора на частоте f определяется как Z = R + - 2fL. (1.3) 2fC Активное сопротивление R (этот параметр часто нормируют, называя его эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора) зависит от удельного сопротивления диэлектрика, материала обкладок и выводов, формы и размеров конденсатора, частоты и температуры. Индуктивность L зависит в основном от формы и размеров конденсатора.

Резонансная частота конденсатора fрез - частота, при которой полное сопротивление конденсатора минимально и является чисто активным. Как видно из формулы для полного сопротивления Z, резонансная частота конденсатора fр ез =. (1.4) 2 LC На частотах ниже fрез конденсатор ведет себя как емкостный элемент (с повышением f величина Z уменьшается), а на частотах выше fрез - как индуктивность (с повышением f величина Z возрастает). Как правило, конденсаторы используются в области частот ниже резонансной, где их индуктивность можно не учитывать.

Реактивная мощность конденсатора Pр, используемая для характеристики высокочастотных высоковольтных конденсаторов. Полагая, что угол сдвига фаз между током и напряжением близок к 90о, т.е. полное сопротивление конденсатора имеет емкостный характер, величина реактивной мощности :

Pp = 2fCU. (1.5) R L C Ic I U IL Рис. 1. Последовательная схема замещения конденсатора Величина Pр служит для определения допустимых электрических режимов эксплуатации высокочастотных высоковольтных конденсаторов. Так, амплитуда переменного напряжения не должна превышать значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности:

P p U =. (1.6) 2fC Энергия W, запасаемая конденсатором при приложении постоянного напряжения:

CU W =. (1.7) Этот параметр используется для характеристики энергонакопительных конденсаторов.

Вопрос о применении конденсатора решается исходя из его электрических параметров и массогабаритных показателей. В этой связи для сравнения конденсаторов используют удельные характеристики, представляющие собой отношение основных параметров конденсатора к его объему V (или массе m).

Основными удельными параметрами низкочастотных конденсаторов являются удельная емкость C С = (1.8) уд V и удельный заряд CU q =, (1.9) уд V а высокочастотных высоковольтных конденсаторов - удельная реактивная мощность 2fCUP =. (1.10) уд V Для характеристики энергоемких накопительных конденсаторов используется удельная энергия:

2 CU 0E W = =, (1.11) уд 2V где E - напряженность электрического поля в диэлектрике.

Требования к конденсаторным диэлектрическим материалам вытекают из условий их эксплуатации. Приведем несколько характерных примеров использования конденсаторов в электрических схемах.

На рис.2 показана так называемая емкостная связь между двумя цепями А и В. Назначение конденсатора здесь состоит в том, чтобы препятствовать прохождению постоянного тока (идеальный конденсатор с Rиз = представляет собой разрыв цепи постоянного тока) и в то же время обеспечить беспрепятственное прохождение переменной составляющей сигнала, т.е. конденсатор осуществляет в этом случае защитную (демпферную) функцию.

сигнал Цепь А Цепь В С Рис. 2. Включение конденсатора, предназначенного для защиты от постоянного тока При включении конденсатора, показанного на рис.3, он служит фильтром переменной составляющей напряжения и, кроме того, позволяет сгладить изменения постоянного напряжения: любое резкое изменение напряжения не проходит из цепи А в цепь В. Учитывая, что реактивное емкостное сопротивление Xc=1/(2fC), для выполнения указанных функций конденсатор должен обладать большой емкостью и / или способностью работать на высоких частотах. Кроме того, очевидно, что конденсатор должен "выдерживать" приложенное к нему напряжение, т.е. обладать достаточно высоким номинальным напряжением.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.