книги / Основы конденсаторной техники

жении старение может иметь место и у некоторых типов конденсаторов с неорганическим диэлектриком.

Большинство твердых неорганических диэлектриков имеют ε >5...10; у диэлектриков на основе TiO2 ε ≈80...90. В настоящее время при малом tg δ могут получать диэлектрики с ε ≈ 4000. Разработаны материалы со сверхвысокой ε ≈1000...10 000, но столь высокие значения ε сопровождают-

ся резким ухудшением ее стабильности как во времени, так и при изменении температуры, а также резким возрастанием угла потерь, что невыгодно отличает эти материалы от обычных неорганических диэлектриков и делает возможным их использование только в области низких частот или постоянного напряжения.

Недостаток неорганического материала – трудность получения малых толщин диэлектрика, что затрудняет изготовление конденсаторов большой емкости даже при высоких ε. Это определяется хрупкостью неорганического материала при малой толщине. При испытании керамики или стекла минимальное значение hmin составляло 0,2…0,3 мм, электрическая

прочность у большинства неорганических диэлектриков невелика.

Исключением является слюда, позволяющая получить пластинки толщиной до 0,01 мм с достаточной механической и электрической прочностью. Но и этот материал неудобен для получения больших емкостей, так как площадь пластинок небольшая, а также из-за того, что слюда дорога и дефицитна.

Пленочное стекло позволяет получать толщину 0,025…0,05 мм, но его площадь также ограничена, причем стоимость стеклопленочных конденсаторов оказывается еще выше, чем стоимость слюдяных. Поэтому получают малые значения емкостей порядка 0,1…0,2 мкФ.

Основной областью применения конденсаторов с неорганическим диэлектриком являются высокочастотные установки,

121

где не требуются большие емкости, а нужны конденсаторы с малым углом потерь и высокой стабильностью емкости, а также с высоким значением рабочего напряжения (десятки киловольт).

Используя принцип нанесения тонких слоев металла

инеорганического диэлектрика на изоляционную подложку, обеспечивающую механическую прочность, можно получить малые толщины неорганического диэлектрика порядка 1…2 мкм

иниже. Это создало основу для появления тонкопленочных конденсаторов с неорганическим диэлектриком для миниа-

тюрной радиоаппаратуры при малых рабочих напряжениях (≈10...50 В) и емкостях до нескольких тысяч и десятков тысяч

пикофарад.

К неорганическим диэлектрикам относятся керамические, стеклянные, стеклоэмалевые, стеклокерамические и слюдяные. Они характеризуются большой нагревостойкостью, механической твердостью, высокой химической стабильностью, повышенными значениями ε.

По конструктивному исполнению конденсаторы подразделяются на следующие виды:

–незащищенные, допускающие эксплуатацию в условиях повышенной влажности в составе герметизирующей аппаратуры, предусматривающей защиту конденсаторов от воздействия влажности;

–защищенные, допускающие эксплуатацию в составе аппаратуры в условиях повышенной влажности;

–неизолированные, т.е. конденсаторы с влагозащитным покрытием, не допускающие касания своим корпусом шасси или токоведущих частей аппаратуры;

–изолированные с изоляционным покрытием, допускающие касание.

По своему назначению конденсаторы подразделяются на 3 типа:

122

1 – конденсаторы, используемые в цепях фильтров, блокировки и развязки, где малые потери и высокая стабильность емкости имеют существенное значение;

2 – конденсаторы, предназначенные для использования в цепях фильтров, блокировки и развязки, где малые потери и высокая стабильность емкости не имеют существенного значения;

3 – керамические конденсаторы с барьерным слоем, предназначенные для работы в тех же цепях, что и конденсаторы типа 2, но имеющие несколько меньшее значение Rиз и большее значение tg δ, что ограничивает область применения низ-

кочастотными.

Обычно конденсаторы типа 1 являются высокочастотными, а типов 2 и 3 – низкочастотными.

Слюдяные и стеклоэмалевые (стеклянные) конденсаторы относятся к конденсаторам типа 1, стеклокерамические – как к типу 1, так и 2, керамические – ко всем трем типам.

Конденсаторы типов 2 и 3 за счет большой ε имеют значительную удельную емкость, но вместе с тем и большие значения tg δ. Особенностью конденсаторов типа 2 и 3 является

сильная зависимость ε от температуры, а для некоторых типов конденсаторов – зависимость ε от напряжения и наличие диэлектрического гистерезиса.

Современные конденсаторы с неорганическим диэлектриком можно разбить на основные группы: слюдяные, керамические (ВЧ и НЧ), стеклянные и тонкослойные конденсаторы с неорганическим диэлектриком.

3.2. Слюдяные конденсаторы

Конденсаторная слюда. Слюда – это природный материал, способный расщепляться на тонкие пластинки с высокой механической и электрической прочностью, обладающий вы-

123

сокой ε (5…40) и удобный для использования в качестве диэлектрика в конденсаторах.

Слюда относится к группе алюмосиликатов, т.е. содержит Al2O3 и SiO2 , кроме того, еще и воду в виде групп OH, а также окислы металлов, по наличию которых различаются сорта

Для изоляции секций от корпуса применяют слюду флогопит, более нагревостойкий, чем мусковит. Средний состав

tmax =800...1000 °С ρv =1011...1012 Ом м.

Синтетическая слюда, или фтор-флогопит, – материал,

в составе которого гидроксильные группы ОН заменены фтором, полученным при расплавлении специально подобранной шихты и ее кристаллизации при медленном охлаждении. Синтетическая слюда дороже природной, но в ней нет значительных посторонних примесей, как в природной. Фтор-флогопит химически устойчивее обычного флогопита, что обеспечивает высокую нагревостойкость. Он не разрушается, не вспучивается. Синтетическая слюда стоит дороже природной.

Из слюды-сырца мусковит после очистки вырубают при помощи штампа прямоугольные пластинки, называемые шаблонкой. Толщина пластинок 0,02…0,01 мм. Легкость расщепления слюды объясняется слоистой структурой этого минерала. В тонких пластинках слюда мусковит бесцветна, но толстые пластинки имеют различную окраску. Наименьший tg δ

124

имеет розовый, золотистый и коричневый мусковит. У серебристого мусковита tg δ в 1,5 раза выше, а у зеленого –

в 2,5…3 раза выше. Окраска слюды зависит от присутствия небольшого количества окислов Fe, Cr или Ti. Слюда легко смачивается водой, поэтому с повышением влажности воздуха ее удельное поверхностное сопротивление резко падает. Теплостойкость слюды мусковит высока: она выдерживает кратковременный нагрев до 500 °С без каких-либо внешних изменений. При дальнейшем повышении температуры начинается выделение кристаллизационной воды и происходит вспучивание слюды (рис. 2). При длительном воздействии температуры структурные изменения в слюде мусковит можно заметить и при температуре 600…700 °С. После нагрева до 1000 °С мусковит приобретает сильную хрупкость, а при 1250...1300 °С начинает сплавляться в непрозрачное стекло. Разновидности флогопита, отличающиеся по характеру вспучивания, в большинстве случаев отличаются и по внешнему виду и по механическим свойствам. Менее нагревостойкие разновидности имеют меньшую твердость, более темный цвет и «жирный», а не стеклянный блеск.

Рис. 2. Вспучивание слюды при нагревании: М – мусковит; Фт – флогопит темный; Фс – флогопит светлый

125

= f (h) и получить Eпр ≈

≈300...400 кВ/мм, а при электродах малой площади – даже до 700 кВ/мм. Но на эти значения нельзя ориентироваться

при расчете слюдяных конденсаторов, в которых диэлектрик работает в сильно неоднородном поле и при увеличенной площади электродов.

При увеличении площади обкладок возрастает вероятность нахождения между обкладками слабых мест, как природных, связанных с наличием в слюде вкраплений кварца и других дефектов, так и вызванных механическим повреждением пластинок при их расщипке – царапин, проколов, поэтому приходится снижать Eраб. Влияние слабых мест можно

уменьшить, применяя между обкладками по несколько пластинок, что позволяет повышать Eраб.

В слюдяном конденсаторе электрическое поле направлено перпендикулярно слоям слюды. Однако при наличии в слюде посторонних включений, прежде всего воздушных, может появляться местное искажение поля, в результате чего возникает тангенциальная составляющая напряженностиEτ, направленная по

плоскостям спайности и вызывающая заметное ухудшение электрических свойств, в первую очередь проводимости и tg δ.

Воздушные включения при высоком напряжении могут вызвать рост tg δ за счет развития ионизации. Возникающие

126

3.3. Стабильность емкости слюдяных конденсаторов

Диэлектрическая проницаемость слюды мало зависит от температуры и не меняется со временем. Однако стабильность емкости слюдяного конденсатора в сильной степени зависит от его конструкции и технологии.

Слюдяные конденсаторы изготовляются как с обкладками из фольги, так и с металлизированными обкладками из серебра. При использовании обкладок из фольги для повышения стабильности необходимо применять сильное сжатие конденсаторной секции в специальных обжимах. При увеличении степени сжатия секций фольга плотнее прилегает к слюде, зазоры уменьшаются, емкость растет (рис. 5).

ρ, кг/см2

Рис. 5. Зависимость емкости слюдяного конденсатора с обкладками из оловянно-свинцовой фольги от удельного давления на активной площади

Надо работать на пологой части кривой C = f (P), где ко-

лебания давления меньше изменяют емкость, т.е. применять большие давления, что нужно также для устранения вибрации обкладок.

Применение серебряной слюды, исключающее зазор между слюдой и обкладками, позволяет обеспечить высокую стабильность емкости.

Слюда легко смачивается водой, поэтому если поместить высушенный слюдяной конденсатор в условия комнатной

129

влажности, то можно заметить повышение емкости и tg δ. По-

этому собранные секции в производстве слюдяных серебряных конденсаторов после сушки подвергают пропитке церезином, чтобы обеспечить их влагозащиту на период времени до их опрессовки или герметизации в защитном корпусе.

Изменение емкости слюдяных серебряных конденсаторов после пропитки невелико и не превышает несколько процентов. Оно связано с наличием в секции паразитных емкостей Сп, обусловленных незначительными изменениями размеров

закраин, полученных при серебрении, и небольшими смещениями краев пластинок при сборке.

Для того чтобы емкость циклично изменялась при неоднократных прогревах, пропитанные конденсаторы надо подвергать температурной тренировке (2–3 прогрева при максимальной температуре с последующим охлаждением до комнатной).

Зависимость емкости от частоты для слюдяных конденсаторов в области низких частот определяется междуслойной поляризацией. В области высоких частот может наблюдаться увеличение емкости за счет влияния индуктивности конденсатора.

К недостаткам серебряных конденсаторов относится явление «мерцания», вызывающее при высоких частотах скачкообразное изменение емкости и повышение потерь. Это явление усиливается при возрастании напряжения, поэтому в слюдяных конденсаторах, используемых при повышенных напряжениях высокой частоты, приходится использовать обкладки из фольги. Можно устранить «мерцание» и сохранить стабильность, если применить комбинированную обкладку, т.е. поверх обкладки, полученной серебрением, положить вторую обкладку из фольги с такими размерами, чтобы она перекрывала края серебряного слоя и шунтировала «островки» серебра.

130