книги / Основы конденсаторной техники
..pdfВысокочастотная керамика характеризуется низкими диэлектрическими потерями, а емкость таких конденсаторов при изменении температуры изменяется почти по линейному закону.
Низкочастотная керамика обладает большей ε, вследствие чего эти конденсаторы имеют большую емкость при тех же габаритах, что и ВЧ конденсаторы. Но у них больше tg δ.
По температурным свойствам керамические конденсаторы делят на несколько групп. Конденсаторы, имеющие наименьший ТКЕ, называются термостабильными (их применяют в колебательных контурах генераторов высокой стабильности). Конденсаторы, имеющие отрицательный ТКЕ, называются термокомпенсирующими. Их следует применять в колебательных контурах, так как уменьшение их емкости при увеличении температуры приводит к увеличению собственной частоты контура. А нагрев других деталей контура способствует уменьшению его частоты. В результате этого, изменение собственной частоты контура при повышении температуры будет незначительным.
4.2. Низковольтные керамические конденсаторы (К10)
В настоящее время количество керамических конденсаторов, используемых в электронной аппаратуре, превышает половину всех применяемых конденсаторов.
Наиболее широко применяются дисковые (КД) и трубчатые (КТ) конденсаторы. Для большинства конденсаторов номинальное напряжение составляет 160…500 В постоянного тока. Керамические конденсаторы обладают большим набором значений ε (от 6 до десятка тысяч) и ТКЕ. Они бывают высокочастотные (тип 1) и низкочастотные (типы 2 и 3). У конденсаторов типа 1 нормируется ТКЕ, они имеют малые потери и малые значения индуктивности.
141
Повышенной надежностью обладают конденсаторы типа КТ-1Е, отличающиеся от традиционной конструкции трубчатых конденсаторов наличием глухого дна и, следовательно, одного наружного зазора. Конденсаторы КТ-1Е отличаются высокой влагостойкостью и имеют емкости 1…15 000 пФ.
Для применения в ВЧ цепях, критичных к значениям собственной индуктивности, предназначены конденсаторы КДУ и К10У-2. Керамические дисковые ультракоротковолновые конденсаторы КДУ могут работать в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов УКВ аппаратуры; имеют ленточные короткие выводы. Клиновидные конденсаторы К10У-2 являются безындукционными, безвыводными и предназначены для печатного монтажа.
Максимальные значения номинальной и удельной емкости среди керамических конденсаторов типов 1 и 2 имеют монолитные конденсаторы, которые представляют собой пакет из чередующихся слоев металла и керамики. На сырые керамические пленки наносят металлсодержащую пасту, после чего пленки складывают в пакеты, спрессовывают, разрезают на заготовки и обжигают при температуре 1100...1400 °C. Для элек-
тродов в основном используются платина и палладий – дефицитные и дорогостоящие металлы, что приводит к увеличению стоимости конденсаторов.
В последнее время выпускаются конденсаторы с электродами из неблагородных металлов (К10-20), однако электрические параметры у них хуже. Для применения в микросхемах, микромодулях, гибридных интегральных схемах предназначены незащищенные безвыводные монолитные конденсаторы. Эти конденсаторы имеют серебряные или луженые контактные площадки, посредством которых конденсаторы подключаются в аппаратуру. Контактные площадки имеют небольшие размеры. При механических нагрузках может произойти полное или частичное отслоение контактов от конденсатора или от внут-
142
ренних электродов монолита, что вызывает полную или частичную потерю емкости.
Резкое уменьшение толщины диэлектрика получено в конденсаторах с барьерным слоем, которые называются также конденсаторами из восстановленной керамики. Конденсатор этого типа представляет собой (К10У-5) диск из сегнетокерамического материала, который при обжиге в водородной среде восстанавливается до полупроводникового состояния. После восстановления диск окисляется путем прогрева в воздушной среде, причем на его поверхности образуется слой диэлектрика. На обе поверхности диска наносятся электроды, при этом общая емкость конденсатора образуется из последовательно соединенных емкостей тонких слоев, расположенных по обе стороны полупроводящего диска. Последовательно включенный полупроводниковый слой вызывает увеличение tg δ (до 0,035…0,1 при частоте 1 кГц), что ограничивает об-
ласть применения конденсаторов низкими частотами. Такие конденсаторы имеют малое сопротивление изоляции и большой ток утечки. Значительное улучшение сопротивления изоляции можно получить в конденсаторах с пограничным слоем, созданных из крупинок полупроводящей керамики, причем на каждой из крупинок создается тонкий слой диэлектрика. В этом случае между металлическими обкладками, нанесенными на две стороны диска, располагается ряд тонких слоев, покрывающих отдельные крупинки. Это дает снижение тока утечки и увеличение сопротивления изоляции. Эффективное значение диэлектрической проницаемости снижется, но имеет все же высокие значения.
Высокой рабочей температурой обладают фольговокерамические конденсаторы с уменьшенной толщиной изоляции. При их изготовлении используется шликер, полученный из обжигаемой керамики заданного состава с жидкой алюмофосфатной связкой. В жидкий шликер погружается гребенка из алюминиевой фольги, на зубцах которой откладывается тонкий
143
слой керамической массы. Используют гребенки двух размеров с узкими и широкими зубцами, которые после нанесения покрытия складываются в стопки, зажимаются и спекаются. Отрезая зубцы, получают секции конденсаторов, которые герметизируются в керамических коробках, заливаемых с торца стеклом. Эта технология позволяет снизить толщину диэлектрика до 10…15 мкм. Конденсаторы такого типа являются высокочастотными.
4.3. Керамические конденсаторы высокого напряжения (К15)
Основные конструктивные формы этих конденсаторов получены на основе приспособления к условиям работы на высоком напряжении простейших конструкций: диска и трубки. Большим преимуществом керамики в сравнении со слюдой является возможность выравнивания поля у краев обкладок за счет плавного уменьшения толщины диэлектрика, что позволяет резко поднять напряжение начала короны и довести его до значения разрядного напряжения. На закраинах создаются выступы или специальные «юбки», увеличивающие путь разряда
(рис. 7).
а |
б |
в |
г |
Рис. 7. Основные конструктивные формы керамических конденсаторов высокого напряжения: а – цилиндрическая (трубка); б – горшковая; в – плоская (дисковая); г – бочоночная
144
Высоковольтные конденсаторы по своему назначению, делятся на высокочастотные и низкочастотные. Одной из основных характеристик высокочастотных конденсаторов является допустимая реактивная мощность. Для ее увеличения используют керамику с минимальными потерями.
Важным параметром низкочастотных керамических конденсаторов является удельная энергия, при этом для их изготовления используется керамика с высокой электрической прочностью и большой ε. К низкочастотным высоковольтным конденсаторам относятся и импульсные конденсаторы, предназначенные для работы в режиме видеоимпульсов. Однако импульсные конденсаторы должны иметь более высокие значения допустимой реактивной мощности, чем другие низкочастотные конденсаторы.
По конструкции высоковольтные керамические конденсаторы подразделяются на плоские (стержневые, бочоночные, дисковые), трубчатые и горшковые.
Плоские конденсаторы выпускаются на номинальном напряжении, равном 4, 8, 12, 16 и 20 кВ. Выводы выполняются в виде плоских лент или с резьбовым креплением под винт.
Максимальная емкость (до 15 000 пФ) достигается у трубчатых конденсаторов.
Горшковые конденсаторы выпускаются на напряжении, равном 4; 6,3; 8 кВ; имеют емкость до 3300 пФ. Для увеличения реактивной мощности PR конденсаторов применяют при-
нудительное охлаждение.
Электрическая прочность керамики невелика, а потому возможности повышения Eраб ограничены. Это сужает воз-
можность резкого повышения реактивной мощности, например за счет интенсивного водяного охлаждения.
Среди керамических конденсаторов типов 1 и 2 максимальное значение емкости имеют монолитные конденсаторы, однако из-за высокой температуры обжиг (до1500 °C ) этих
145
конденсаторов их электроды выполняют из платины или палладия. Поэтому большой интерес представляют стеклянные, стеклоэмалевые и стеклокерамические монолитные конденсаторы, диэлектрики которых обжигаются при значительно меньших температурах (500...750 °C), что сделало возможным
использование для электродов менее дефицитных материалов – серебра и алюминия. По своим характеристикам эти конденсаторы близки к керамическим и могут эксплуатироваться в цепях постоянного, переменного и импульсного напряжений.
5. Стеклянные конденсаторы
Стекло – это первый диэлектрик, использованный для изготовления конденсаторов. Оно дешево, обладает высокой электрической прочностью при малых расстояниях. Недостатки: имеет относительно высокие потери, резко возрастающие с увеличением температуры, что создает неустойчивость к тепловому пробою и хрупкость. В обычном стекле имеет место электролитическое старение. Для стеклянных конденсаторов особенно опасна неоднородность поля у края обкладки, так как при появлении короны на краях, местный разогрев быстро приводит к тепловому пробою.
Отличительной чертой стеклянных конденсаторов является их высокая теплоустойчивость. Некоторые типы конденсаторов могут эксплуатироваться при температуре до 200 °C
(К21У-3) и до 300 °C (К21У-1). Стеклянные конденсаторы
имеют нормированные значения ТКЕ.
Хрупкость стекла препятствовала применению его в малых толщинах. Эта задача была решена путем вытяжки из стекла тонких пленок. Пленка режется на куски (пластинки), которые складываются стопкой, чередуясь с прокладками из металлической фольги, как при изготовлении слюдяных конденсаторов. Собранные секции помещаются между защитными стеклянными пластинками большей толщины и при повышен-
146
ной температуре спекаются в монолитные блоки. Объем этих конденсаторов на треть меньше объема слюдяных с теми же номинальными данными. Но стоимость выше в 2,5 раза. Особым преимуществом стеклопленочных конденсаторов является их влагостойкость и устойчивость к действию радиации.
6. Стеклоэмалевые и стеклокерамические конденсаторы
Меняя рецептуру стекла, можно в значительной степени изменять его электрические свойства, в частности ε, TKε
и tg δ.
Стеклоэмалевые конденсаторы получают следующим образом: измельчают стекло в порошок, получая тонкие слои, разделенные металлом, и подвергают полученную заготовку нагреву при высокой температуре для спекания в монолитный блок. По качеству они приближены к слюдяным конденсаторам.
Повысить диэлектрическую проницаемость можно вводя
всостав стеклоэмали измельченную керамику с высокой ε – таким образом получаются стеклокерамические конденсаторы. У этих конденсаторов после обжига производится опрессовка
вгорячем виде для уменьшения пористости диэлектрика и увеличения влагостойкости. Стеклокерамические конденсаторы СКМ выпускаются в двух вариантах исполнения: с выводами и без выводов.
7.Тонкопленочные конденсаторы
снеорганическим диэлектриком
Основным недостатком неорганических материалов при их использовании в конденсаторостроении является их неудовлетворительная механическая прочность в малых толщинах, что ограничивает возможность снижения толщины диэлектрика и увеличения Сном. Этот недостаток преодолевается
147
за счет использования неорганических диэлектриков с высокой ε даже при больших толщинах. Однако ухудшаются другие характеристики конденсатора: повышается tg δ, снижается стабильность емкости с температурой и во времени, ухудшается постоянная времени, снижается Eпр. Но если использовать
введение в конденсатор механической поддержки в виде изоляционной или проводящей пластинки (подложки), на которую будет нанесен тонкий слой неорганического диэлектрика, то от последнего уже не надо требовать механической прочности и толщина его будет определяться лишь технологическими возможностями его нанесения. Этим методом можно получить малые (сотни ангстрем) толщины неорганического диэлектрика. В составе подложки применяют тонкие стеклянные глазурованные керамические пластинки.
Увеличение удельной емкости ограничивается наличием подложки, не используемой для создания емкости и увеличивающей общий объем конденсатора:
V = S (h +2hоб +hп ),
где S – площадь обкладки;
h, hоб, hп – соответственно значения толщины диэлек-
трика, обкладки и подложки.
Используя формулу емкости плоского конденсатора, получим выражение для удельной емкости:
Суд = |
8,85 10−12 ε |
|
|
|
3 |
||
|
|
|
Ф/м |
. |
|||
h (h +2h |
+h |
) |
|||||
|
|
об |
п |
|
|
|
|
Обычно hоб ≈ 0,1...0,2 мкм, |
h ≤ 0,1 мкм, hп = 20...50 мкм, |
||||||
поэтому hп >> hоб и h, и выражение приобретает вид |
|||||||
|
Суд = |
8,85 10−12 ε |
. |
|
|||
|
h hп |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
148 |
|
|
|
|
|
Тонкопленочные конденсаторы находят применение в виде емкостных элементов плоских пленочных схем, наносимых на общую подложку с пленочными резисторами и другими элементами.
При изготовлении тонкослойных конденсаторов с неорганическим диэлектриком применяются следующие методы: испарение в вакууме; катодное распыление; термическое окисление; термическое разложение (пиролиз).
1. Испарение в вакууме. Используется такая же установка, как для вакуумного нанесения тонких слоев металла, в которой кроме испарителя для металла необходимо предусмотреть и испаритель для диэлектрика. Необходимо, чтобы диэлектрик легко испарялся (невысокая температура кипения) без разложения, имел бы хорошую адгезию к электродам и чтобы в образованном тонком слое не возникало больших внутренних напряжений. У диэлектрика должна быть высокая ε и Eпр, ма-
лый tg δ и большое ρv . В качестве металла используют золото,
медь, алюминий и хром. Перед нанесением на подложку первой обкладки необходима тщательная очистка поверхности.
Вкачестве диэлектрика наиболее удобны ZnS и SiO.
2.Катодное распыление. Под колоколом поддерживается
атмосфера инертного газа под давлением 10−2...10−1 мм рт. ст. Полученный этим методом слой металла может быть далее электролитически окислен для получения на нем слоя диэлектрика. Можно заменить инертный газ на кислород. При этом выбитые из катода частички металла окислятся в атмосфере O2 и на подложку, укрепленную на аноде, откладывается
окисленный металл, т.е. слой диэлектрика. Таким образом, получены тонкие слои Ti2O5 , BeO и SiO2. Процесс протекает
очень медленно. Наибольшее распространение получили изготовленные этим методом металлооксидные танталовые конденсаторы.
149
3. Термическое окисление. Этот метод используют для изготовления тонкослойных конденсаторов с диэлектриком из SiO2. Небольшие диски из чистого кремния n-типа нагреваются до 950 °C в присутствии паров воды. На поверхности Si за счет окисления образуется SiO2. Поверх окиси кремния с обе-
их сторон диска наносят металлические обкладки. При этом, как и для конденсатора с барьерным слоем, получаются две емкости, включенные последовательно через слой полупроводника – кремния. Такие конденсаторы за рубежом называются конденсаторами типа «Оксил». У них высокая стабильность емкости и большая устойчивость к радиации, но малый tg δ,
который при 1 кГц равен (1...2) 10−4.
4. Термическое разложение. Можно получить тонкий слой SiO2 , используя пиролиз паров кремнийорганических соеди-
нений. В качестве подложки, служащей первой обкладкой, применяют тугоплавкие металлы: Ta, W, Mo или Si. Температура разложения составляет 650...850 °C. Метод пиролиза дает менее плотную пористую пленку, с большим числом дефектов, снижающих Eпр.
8.Конденсаторы с органическим диэлектриком
Вконденсаторостроении применяются два вида органических диэлектриков: конденсаторная бумага и синтетические пленки.
Особенности конденсаторов с органическим диэлектриком: 1) возможность получения диэлектрика в виде тонких длинных лент малой толщины, намотанных в рулоны, что дает
увеличение номинальных емкостей и мощностей;
2) малые толщины и высокие значения Eраб даже при не-
больших значениях ε (обычно не превышают 3…6), что позволяет получать относительно большие значения удельной
150