8.5.1. Конденсаторы с оксидным диэлектриком
В конденсаторах с оксидным диэлектриком в качестве основного диэлектрического материала, определяющего потребительские свойства и основные характеристики этого вида конденсаторов, используются оксидные слои на вентильных металлах: алюминии, тантале, ниобии. Ориентировочные значения относительной диэлектрической проницаемости оксидных слоев составляют: Al2О3 – 10, Та2О5 – 65, Nb2O5 – 40. В общем случае, в зависимости от требований к конденсаторам и технологических возможностей оксидные слои могут формироваться, как непосредственно на поверхности фольги из указанных металлов, так и на развитой поверхности объемнопористого тела на основе порошков из тех же металлов. Эти конденсаторы, как правило, являются полярными, при этом одним из электродов конденсаторов (анодом) является сам вентильный металл, вторым электродом (катодом) является электролит, либо, что характерно для конденсаторов относительно малой емкости с объемнопористым анодом, слой полупроводника, например, двуокиси марганца.
8.5.2. Конденсаторы с органическим диэлектриком
В современных конденсаторах с органическим диэлектриком в качестве основного диэлектрического материала широко используются различные полимерные пленки толщиной порядка единиц – десятков мкм, основными из которых в настоящее время являются полипропиленовая с относительной диэлектрической проницаемостью около 2 и полиэтилентерефталатная с диэлектрической проницаемостью 3,5- 3,6.
Из вышеприведенных зависимостей следует, что диапазоны реализуемых емкостей на том или ином виде диэлектрика определяются не только его диэлектрической проницаемостью, но и технологическими возможностями реализации толщины диэлектрика и площади электродов конденсаторов. Диапазон реализации номинальных напряжений конденсаторов на том или ином виде диэлектрика определяется диапазоном реализуемых толщин диэлектрика и уровнем рабочей напряженности электрического поля в нем, которая, в свою очередь, зависит от электрической прочности используемых материалов.
8.6. Области использования конденсаторов
Рассматриваемые нами виды конденсаторных диэлектрических материалов существенно отличаются друг от друга не только значениями диэлектрической проницаемости и технологически реализуемыми диапазонами толщин в конденсаторах, но и значениями электрической прочности. В результате, значения рабочей напряженности электрического поля в керамических конденсаторах не превышают единиц кВ/мм, в конденсаторах с органическим диэлектриком – лежат, как правило, в пределах порядка десятков кВ/мм, а в конденсаторах с оксидным диэлектриком – порядка сотен кВ/мм.
Совокупность перечисленных выше характеристик различных видов диэлектрика и технологических особенностей переработки соответствующих материалов определяют диапазоны реализации номинальных емкостей и напряжений конденсаторов на основе этих диэлектриков. Как указывалось выше, в ионисторах, роль поляризованного диэлектрика, если можно так выразится, "играет" двойной электрический слой, образующийся на границе электрода и электролита при напряжениях ниже потенциала начала химической реакции на электроде. В связи с этим номинальное напряжение отдельного ионистора, в зависимости от материала электролита лежит в пределах порядков десятых долей – единиц вольт. За счет последовательного соединения рабочие напряжения блоков ионисторов повышают до порядка десятков вольт. Высокая емкость ионисторов достигается за счет использования в электродах специальных углеродных материалов с высокой удельной поверхностью.
На рис. 8.10 представлена совокупность наиболее характерных областей сочетаний номинальных емкостей и напряжений различных видов конденсаторов. рис. 8.10 даёт лишь самые общие, приблизительные представления о возможностях реализации основных параметров конденсаторов на тех или иных диэлектрических материалах, однако и этих представлений вполне достаточно, чтобы выделить области типономиналов, реализация которых возможна только на определенных видах диэлектриков. Так, область относительно малых емкостей в широком интервале напряжений является прерогативой керамических конденсаторов, в области больших емкостей и относительно малых напряжений "господствуют" конденсаторы с оксидным диэлектриком и, далее, – с двойным электрическим слоем. Область сочетания относительно больших емкостей и напряжений, т. е. область относительно больших единичных зарядов и энергий конденсаторов, оптимально реализуется на органическом диэлектрике. Тем не менее, как видно на рис.8.10, существует достаточно обширная область типономиналов, в которой возможен и целесообразен выбор вида конденсатора, наиболее соответствующего комплексу предъявляемых требований. Остановимся коротко на особенностях рассматриваемых видов конденсаторов, учет которых необходим для оптимального выбора конденсатора.
Рис. 8.10. Совокупность наиболее характерных областей сочетаний номинальных емкостей и напряжений различных видов конденсаторов
Керамические конденсаторы, отличающиеся наиболее широким диапазоном номинальных напряжений, подразделяются на низковольтные (Uн до 1600 В) и высоковольтные (Uн=1600 В и выше), обозначаемые К15 .
В свою очередь, как низковольтные, так и высоковольтные керамические конденсаторы, подразделяются на конденсаторы общего назначения и специального назначения. Конденсаторы общего назначения, как правило, аттестовываются и, соответственно, используются в широком диапазоне электрических режимов с преимущественным воздействием постоянной составляющей напряжения. Эти конденсаторы, как правило, представлены широкими унифицированными сериями, конструкция и технология которых ориентированы на крупносерийное и массовое производство. Обычно эти серии имеют несколько групп, отличающихся температурной стабильностью емкости. Поскольку диэлектрические проницаемости керамических материалов различных групп стабильности существенно отличаются, конденсаторы с повышенной температурной стабильностью емкости имеют, при прочих равных условиях, заметно большие габариты и, соответственно, массу.
Применяемые в современной радиоэлектронной аппаратуре конденсаторы с оксидным диэлектриком подразделяются:
по материалу основы оксидного слоя – на алюминиевые, танталовые, ниобиевые;
по конструкции анода – на фольговые и объемнопористые,
по материалу катода – на оксидноэлектролитические и оксиднополупроводниковые.
В соответствии с принятой классификацией упомянутые выше наиболее широко применяемые конденсаторы с органическим диэлектриком по типу диэлектрика подразделяются на: полиэтилентерефталатные, полипропиленовые и комбинированные.
Первые два вида конденсаторов имеют чисто пленочный диэлектрик на основе одного из указанных полимеров. Диэлектрик последнего представляет собой или комбинацию указанных пленок, или их комбинацию в любом сочетании с конденсаторной бумагой, пропиточным составом и т. п. При прочих равных условиях конденсаторы на основе полиэтилентерефталатной пленки имеют лучшие массогабаритные характеристики, что обусловлено большей диэлектрической проницаемостью этой полярной пленки, однако уступают конденсаторам на основе полипропиленовой (неполярной) пленки по величине допустимой переменной составляющей воздействующего напряжения изза сравнительно повышенных диэлектрических потерь. Встречающееся на практике деление конденсаторов с органическим диэлектриком на низковольтные и высоковольтные весьма условно, поскольку граница этого деления не определена в действующей нормативной документации. Фактически, конденсаторы на напряжение в пределах порядков до сотен вольт принято считать низковольтными, а порядков единиц киловольт и выше – высоковольтными.
За единицу емкости в международной системе СИ принимают емкость такого конденсатора, у которого потенциал возрастает на один вольт при сообщении ему заряда один кулон (Кл). Эту единицу называют фарадой (Ф). Для практических целей она слишком велика, поэтому на практике используют более мелкие единицы емкости: микрофараду (мкФ), нанофараду (нФ) и пикофараду (пФ)
.
В качестве диэлектрика в конденсаторах используются органические и неорганические материалы, в том числе оксидные пленки некоторых металлов. Значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых материалов, используемых в конденсаторах, приведены в табл. 8. 3.
Таблица 8.3
Относительные диэлектрические проницаемости ряда материалов
Материал |
Er |
Материал |
Er |
Воздух |
1 ,0006 |
Конденсаторная бумага |
3,5 — 6,5 |
Кварц |
2,8 |
Триацетат и ацетобутират |
3,5 — 4 |
Стекло |
4 - 16 |
Поликарбонат |
6,8 — 3 |
Слюда |
6 - 8 |
Полиэтилентерефталат (лавсан) |
3,6 —3,4 |
Стеклоэмаль |
10 - 60 |
Полистирол |
5 - 6 |
Стеклокерамика |
15 -450 |
Полипропилен |
6,6 — 6,3 |
Керамика |
12 - 230 |
Политетрафторэтилен (фторопласт) |
6 — 6,1 |
Сегнетокерамика |
900 - 80000 |
Оксидные плёнки |
10 — 40 |
Конденсаторы переменной емкости допускают изменение емкости в процессе функционирования электронной аппаратуры. Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Их применяют для плавной настройки колебательных контуров, в цепях автоматики и т. п. Емкость подстроенных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки режимов электронных схем, где требуется незначительное изменение емкости и т. п. В зависимости от способа монтажа, конденсаторы могут выполняться для печатного и для навесного монтажа, а также для использования в составе микромодулей и микросхем или для сопряжения с ними. Выводы конденсаторов для навесного монтажа могут быть жесткие или мягкие, аксиальные или радиальные из проволоки круглого сечения или ленты, в виде лепестков, с кабельным вводом, в виде проходных шпилек, опорных винтов и т. п. У конденсаторов для микросхем и микромодулей, а также СВЧ конденсаторов в качестве выводов могут использоваться части их поверхности. У большинства типов оксидных, а также проходных и опорных конденсаторов одна из обкладок соединяется с корпусом, который служит вторым выводом. Классификация конденсаторов по виду диэлектрика представлена в табл. 8.4.
Таблица 8.4
Классификация конденсаторов по виду диэлектрика.
Газообразный диэлектрик |
Вакуумные |
Газонаполненные |
|
С воздушным диэлектриком |
|
Оксидный диэлектрик |
Помехоподавляющие |
Пусковые, Импульсные |
|
Высокочастотные |
|
Неполярные |
|
Общего назначения |
|
Неорганический диэлектрик |
Низковольтные, Высоковольтные, |
Помехоподавляющие |
|
Нелинейные |
|
Органический диэлектрик |
Низковольтные низкочастотные |
Высоковольтные постоянного напряжения Низковольтные высокочастотные |
|
Высоковольтные импульсные |
|
Дозиметрические |
|
Помехоподавляющие |