WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

Цепь А Цепь В С Рис. 3. Включение конденсатора, предназначенного для фильтрации переменной составляющей напряжения На рис.4 представлена схема включения энергонакопительного конденсатора. Разомкнутое положение переключателя К соответствует режиму зарядки конденсатора, а замкнутое - режиму разрядки конденсатора на нагрузку. В случае индуктивной нагрузки и соответственно образования колебательного контура в разрядной цепи будет протекать периодически (рис.5) либо апериодически меняющийся со временем ток в зависимости от соотношения C, L и R (условием периодического изменения тока со временем является R2/(4L2)<1/(LC).

Ясно, что для такого применения конденсаторов важнейшим параметром является удельная энергия конденсатора Wуд и соответственно высокие диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность рабочего материала.

К Рис. 4. Схема включения энергонакопительного конденсатора Рис. 5. Зависимости напряжения ( ) на конденсаторе и тока( ), протекающего через конденсатор, в процессе разряда в случае индуктивно-активной нагрузки Кроме того, при конструировании энергонакопительных конденсаторов необходимо предусмотреть возможность импульсного прохождения через конденсатор большого тока (как говорят, высокого токоотбора).

На все это накладывается стремление к миниатюризации элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, что применительно к конденсаторам означает необходимость в первую очередь достижения заданной не только номинальной, но и удельной емкости (заряда).

Для конденсаторов, предназначенных для использования в резонансных колебательных контурах устройств радиосвязи, принципиальное значение имеет малость тангенса угла потерь (высокая добротность контура) и высокая стабильность емкости в рабочем диапазоне температур и частот.

Исходя из сказанного можно сформулировать требования к используемым в конденсаторостроении диэлектрическим материалам.

Основными из них являются следующие:

1. Большая величина диэлектрической проницаемости ;

2. Малая величина тангенса угла диэлектрических потерь tg;

3. Высокое сопротивление изоляции (малая величина тока утечки);

4. Высокая электрическая прочность - кратковременная, определяемая Епр = Uпр/d (Uпр - напряжение пробоя) и долговременная, определяемая с учетом снижения Епр диэлектрика вследствие деградационных процессов в течение гарантированного срока службы.

5. Высокая стабильность свойств диэлектриков в рабочем диапазоне температур и частот конденсатора.

6. Высокая временная стабильность функциональных свойств диэлектрика.

7. Возможность получения диэлектрического материала в тонких слоях на больших площадях поверхности обкладок.

В качестве рабочего диэлектрика в конденсаторах используются органические и неорганические материалы.

В зависимости от материала рабочего диэлектрика все конденсаторы постоянной емкости делятся на три класса:

• конденсаторы с неорганическим диэлектриком;

• конденсаторы с оксидным диэлектриком (последний также является неорганическим, но конденсаторы на его основе обладают специфическими свойствами, что заставляет выделять их в отдельную группу);

• конденсаторы с органическим диэлектриком.

Рассмотрим каждый из этих классов конденсаторов в отдельности.

2. КОНДЕНСАТОРЫ С НЕОРГАНИЧЕСКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ В качестве рабочего диэлектрика конденсаторов этого типа используется керамика (керамические конденсаторы, рассчитанные на номинальное напряжение ниже 1600 В обозначаются К10, а на более высокое напряжение - К15), стекло (конденсаторы К22) и слюда (конденсаторы К31 или К32 в зависимости от мощности). Электроды (обкладки) выполняются в виде тонкого слоя металла, вжигаемого в диэлектрик, или в виде тонкой металлической фольги. В качестве материала электродов конденсаторов используют тугоплавкие благородные металлы - палладий, платину и их сплавы друг с другом и с серебром. Необходимость применения дорогостоящих металлов вызвана тем, что в процессе высокотемпературного обжига керамики с уже нанесенными электродами или одновременного с обжигом керамики вжигания электродов, производимого в воздушной среде, электроды из неблагородного металла окисляются и теряют высокую проводимость. Обжиг в газовых средах, защищающих электроды из неблагородных металлов от окисления (например, в водороде, смеси CO - COи др.), приводит, как правило, к существенной потере керамикой изоляционных свойств.

Наиболее массовым типом являются керамические конденсаторы.

Доля их выпуска в общем мировом выпуске электрических конденсаторов составляет более 50 %, а в абсолютном исчислении объем производства керамических конденсаторов превышает 100 млрд. штук в год.

Широкое распространение керамических конденсаторов обусловлено рядом их достоинств, в том числе:

• возможностью реализации широкой шкалы емкостей - от долей пикофарад до сотен микрофарад;

• высокими и разнообразными эксплуатационными характеристиками;

• простотой конструкции, не требующей специального корпуса, и связанной с этим сравнительно низкой стоимостью;

• конструктивной совместимостью с гибридными интегральными схемами, плоскими модулями и другими узлами радиоэлектронной аппаратуры, приспособленностью к прогрессивным высокопроизводительным методам монтажа компонентов.

По назначению керамические конденсаторы подразделяются на три типа.

Конденсаторы 1-го типа - конденсаторы, предназначенные для использования в резонансных контурах и других цепях радиоэлектронной аппаратуры, где принципиальное значение имеют малые потери и высокая стабильность емкости. Конденсаторы этого типа часто называют высокочастотными конденсаторами, хотя они могут применяться как при высоких, так и при низких частотах.



Классификационным признаком конденсаторов этого типа является температурный коэффициент емкости 1 С ТКЕ =, (2.1) С Т где C - емкость конденсатора, Т - температура.

Необходимость в компенсации температурных зависимостей параметров компонентов контуров (цепей) требует наличия большого числа групп конденсаторов 1-го типа по ТКЕ.

В отечественной документации значение ТКЕ кодируется буквами П (плюс) или М (минус) в соответствии со знаком ТКЕ и цифрой, обозначающей номинальное значение ТКЕ, выраженное в миллионных долях обратных градусов. Последнее выбирается из предпочтительных чисел типа Е, а допускаемое отклонение от номинального значения устанавливается в связи с классом точности конденсатора.

Выпускаются конденсаторы с ТКЕ по группам М2200, М1500, М750, М470, М330, М220, М150, М75, М47, М33, МП0 (номинальное значение ТКЕ = 0), П33, П100. Наиболее широкое применение находят конденсаторы групп М1500, М750, М47, МП0, П33.

Исходя из известного выражения для емкости конденсатора нетрудно показать, что ТКЕ = ТК +, (2.2) где ТК = (1/).(/T) - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости;

- температурный коэффициент линейного расширения.

Поскольку величина у керамических диэлектриков не превышает 10.10-6 К-1, можно считать (за исключением группы МП0), что ТКЕ ~ ТК и аналогично конденсаторам 1-го типа классифицировать высокочастотные керамические материалы. Использование в качестве классификационного признака конденсаторных материалов, ТКЕ обусловлено близостью температурной зависимости их диэлектрической проницаемости к линейной.

Общие требования, предъявляемые к высокочастотной керамике, включают необходимое значение диэлектрической проницаемости, низкие диэлектрические потери (на частоте 1 МГц тангенс угла диэлектрических потерь tg 610-4), высокое сопротивление изоляции (удельное объемное сопротивление керамики v > 1011 Ом см).

Конденсаторы 2-го типа - конденсаторы, предназначенные для использования в цепях фильтрации, блокировки или других цепях, где малые потери и высокая стабильность емкости не имеют существенного значения. Конденсаторы этого типа называют низкочастотными (хотя они могут применяться, в принципе, при любых частотах тока).

Для изготовления конденсаторов 2-го типа применяют сегнетоэлектрики (сегнетокерамику) с высокими значениями диэлектрической проницаемости и немонотонной ее температурной зависимостью.

Последнее обстоятельство не позволяет использовать для классификации конденсаторов 2-го типа величину ТКЕ. Классификационным признаком для них является температурная стабильность емкости ТСЕ = (C/C20°C)100 %, (2.3) где C - допустимое изменение емкости в рабочем диапазоне температур.

Значение ТСЕ кодируется буквой Н и соответствующим группе по ТСЕ числом. Выпускаются конденсаторы групп Н90, Н70, Н50, Н30, Н20.

На той же основе классифицируют в отечественной практике и сегнетокерамику для конденсаторов 2-го типа. Общие требования к сегнетокерамике состоят в необходимом значении диэлектрической проницаемости, tg 3,510-2 и удельного сопротивления v109Ом/см.

В последнее время осуществляется переход к принятой в промышленно развитых странах единой классификации керамических диэлектриков в зависимости от величины и температурной стабильности диэлектрической проницаемости. Используемая в мировой практике конденсаторная керамика относится к одному из следующих 4-х классов:

• NPO - материалы с диэлектрической проницаемостью до 75 и ТК не выше 3010-6 в температурном интервале от –55 до 1250 C;

• X7R - материалы с диэлектрической проницаемостью в интервале от 1000 до 4000 и изменяющейся в температурном диапазоне от -55 до 125 0C не более, чем на 15 %;

• Z5U - материалы с диэлектрической проницаемостью от до 8000, изменяющейся в температурном диапазоне от 10 до 85 0 C не более, чем на 22 56 % от значения при 25 0 C;

• Y5V - материалы с диэлектрической проницаемостью от до 15000, изменяющейся в температурном диапазоне от -30 до 85 C не более, чем на 22 56 % от значения при 25 0 C.

Конденсаторы 3-го типа - конденсаторы, предназначенные для работы в тех же цепях, что и конденсаторы 2-го типа, но имеющие по сравнению с ними несколько меньшее значение сопротивления изоляции и большее значение тангенса угла диэлектрических потерь, что практически ограничивает область их применения низкими частотами.

Основным элементом конденсаторов этого типа служит полупроводниковая керамика с барьерными или оксидными слоями.

Классифицируют конденсаторы 3-го типа так же, как и конденсаторы 2-го типа.

В качестве компонентов основной кристаллической фазы керамических диэлектриков конденсаторов 1-го типа используются соединения с электронной упругой и ионной упругой поляризацией, обладающие, как известно, небольшой величиной ТК - отрицательной и положительной соответственно. Особенно привлекательны здесь титаносодержащие соединения, кристаллизующиеся в структуре рутила (TiO2), перовскита (CaTiO3, SrTiO3) и барийлантаноидного тетратитаната (BaNd2Ti34O12) и обладающие усиливающим электронную поляризацию сильным внутрикристаллическим полем и, как следствие, сравнительно высокой диэлектрической проницаемостью - от 80 до 250 (для сравнения, диэлектрическая проницаемость соединений с ионной упругой поляризацией не превышает 30: у цирконата кальция CaZrO3 величина = 28 при ТК=6510-6 К-1, у алюмината лантана LaAlO3 = 22 при ТК= 10010-6 К-1). Следует отметить, однако, что за увеличение приходится «расплачиваться» повышением ТК.





Индивидуальные соединения не охватывают всего диапазона необходимых для конденсаторных диэлектриков величин и ТК. Технические материалы основаны, как правило, на бинарных или более сложных твердых растворах или механических смесях указанных выше соединений с различными значениями и ТК. При условии, что температурные коэффициенты входящих в состав керамики соединений имеют противоположные знаки, удается достигнуть требуемого эффекта температурной стабильности емкости.

K-TK 106, Наибольшее применение.

получили твердые растворы в -системах CaSnO3 - CaZrO3 - -CaTiO3, CaTiO3 - LaAlO3 (со структурой перовскита), BaNd2Ti4O12 - BaBiTi4O12, BaNd2Ti4O12 - BaSm2Ti4O(структура барийлантаноидных 1' 2' тетратитанатов, близкая к структуре перовскита). ИспольCaTiO 0 20 40 60 80.% мол зование указанных систем поРис. 6. Зависимость ТК зволяет в значительной степени (кривые 1, 2) и (кривые 1’, 2’) от унифицировать состав конденсостава в системах CaTiO3 - CaZrOсаторных диэлектриков, регу(1, 1’) и CaTiO3 - LaAlO3 (2, 2’) лируя величины и ТК посредством изменения состава (рис.6).

В табл. 1 представлены состав и свойства основной кристаллической фазы ряда керамических материалов для конденсаторов 1-го типа.

Наличие для ряда групп по ТК материалов с различными значениями вызвано необходимостью обеспечить в пределах данной группы возможность изготовления конденсаторов различных емкостей.

К перспективным системам здесь следует отнести барийлантаноидные тетратитанаты, образующие твердые растворы замещения в широкой области концентраций компонентов, что дает Таблица Свойства и состав основной кристаллической фазы некоторых керамических материалов для конденсаторов 1-го типа Группа по Интервал Основная при 20 0 С рабочих тем- Кристаллическая и f=1 МГц ТК ператур, 0С Фаза М1500 150 CaTiO-60 +М750 100 CaTiO3 - LaAlO-60 +80 TiO-60 +М75-МПО 40-50 CaTiO3 - LaAlO-60 +CaSnO3 - CaZnO3 –CaTiO17--60 +М47-МПО 80 Ba(NdBi)2Ti4O-60 +П33 35 CaTiO3 - LaAlO-60 +CaSnO3 - CaZnO3 –CaTiO-60 +возможность получения керамики с термостабильными свойствами и диэлектрической проницаемостью до 120.

Основой сегнетокерамических материалов для конденсаторов 2го типа являются оксидные соединения, главным образом, титанаты, цирконаты и ниобаты щелочноземельных металлов.

Ограничиться индивидуальными соединениями, однако, не удается из-за неблагоприятной температурной зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика. Напомним, что последняя имеимеет острый максимум в точке Кюри, т.е. при температуре перехода из сегнетоэлектрической в параэлектрическую фазу. Поэтому если точка Кюри соединения - сегнетоэлектрика находится вне рабочего диапазона температур конденсатора, достигнуть необходимой величины материала не удается. Кроме того, наличие острого максимума (Т) недопустимо с точки зрения температурной стабильности емкости конденсатора.

В качестве основы технических материалов используют сегнетоэлектрики со сглаженной зависимостью (Т). Для ее получения используют эффект размытия фазовых переходов и получаемые материалы называют сегнетоэлектриками с размытым фазовым переходом (РФП).

Хотя этот принцип является общим для всей конденсаторной сегнетокерамики, подходы к получению материалов с максимально высокой диэлектрической проницаемостью (группа Н90) и повышенной температурной стабильностью ( группы Н50, Н30 и др.) имеют особенности.

Для получения диэлектриков с максимальной создают однофазные твердые растворы с РФП. В отечественной практике наиболее распространены твердые растворы в бинарных системах BaTiO3BaZrO3, BaTiO3-BaSnO3, BaTiO3-CaSnO3, BaTiO3-CaZrO3. При нахождении в одном и том же кристаллографическом положении в элементарной ячейке ионов различного сорта, например, Ti4+ и Zr4+ в твердом растворе BaTiO3 - BaZrO3, в случае неупорядоченного их расположения возможны различия состава отдельных микрообластей кристалла, которые будут обладать соответственно разными температурами фазового перехода (рис.7).

Tc,o C 0 -3 --BaTiO mol.% 0 20 40 60 Т а б Рис.7. Зависимость температуры точки Кюри твердых растворов в системах BaTiO3 - SrTiO3 (1), BaTiO3 - CaZrO3 (2) и BaTiO3 - BaSnO(3) от концентрации компонентов. Пунктиром показана схема выбора состава с температурой точки Кюри 20 оС ( а );

Схематическое изображение температурной зависимости сегнетоэлектрика при неразмытом (1) и размытом (2) фазовых переходах (б) Фазовый переход во всем объеме кристалла, представляющего собой совокупность микрообластей различного состава, распространяется на некоторый интервал температур, т.е. является размытым (рис.7,б).

Наличие, наряду с BaTiO3, второго компонента при соответствующей его концентрации смещает Tc в желаемую область комнатной температуры (рис.7,а), что позволяет достигнуть необходимой величины. Наиболее высокие значения могут быть достигнуты в случае крупнозернистого строения керамики, способствующего развитию доменной структуры зерен и ослаблению механических напряжений, препятствующих доменной поляризации.

В отечественной практике для создания технических конденсаторных материалов наиболее часто применяют твердые растворы BaTiO3 и несегнетоэлектрических соединений, понижающих точку Кюри. Основные характеристики этих материалов представлены в табл. 2.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 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.