книги / Основы конденсаторной техники

стях – до 0,1…0,25 мкФ. Униполярность проводимости выражена слабо, и кратковременная смена полярности для конденсаторов не опасна.

11.4. Ниобиевые и титановые конденсаторы

Ниобий представляет собой вентильный металл, наиболее близкий к танталу, но менее дорогой и не столь дефицитный. Температура плавления ниобия ниже, чем у тантала, а потому приходится снижать температуру спекания прессованных анодов до 1900 °C и даже ниже. Преимуществом ниобия является

его сниженный удельный вес, дополнительно удешевляющий конденсаторы и улучшающий их весовые характеристики. Ниобий можно применять в виде добавки к танталу, но основное применение он находит в чистом виде для изготовления объемно-пористых анодов для ОП конденсаторов. Величина ε у Nb2O5 выше, чем у Ta2O5 (45 и 27), но относительная тол-

щина оксидного слоя также выше, чем у тантала, поэтому выигрыш в емкости меньше. При переходе от Ta к Nb можно снизить объем конденсатора не более чем на 30 %.

Ниобиевые оксидно-полупроводниковые конденсаторы изготовляются с емкостью от 0,47 до 100 мкФ при Uном = 6...20 В для диапазона температур от –60 до +85 °C. Норма на tg δ при

частоте 50 Гц и 20 °C составляет 0,15…0,20 (в зависимости от Сном и Uном ). Жидкостные конденсаторы с объемно-пористы- ми анодами из сплава тантала с ниобием выпускаются марки К52 и имеют Сном =10...10 000 мкФ, Uном = 6...90 В.

Титан по своим свойствам заметно отличается от других вентильных металлов и имеет другой тип окисла, одна из кристаллических модификаций которого обладает весьма высокой ε, около 100. Для изготовления анодов используют титан с чистотой 99,5…99,7 %. Для получения достаточно высоких электрических характеристик титановых конденсаторов вместо

182

12.Конденсаторы переменной емкости

12.1.Конденсаторы с механически управляемой емкостью

Конденсаторы переменной емкости являются одним из наиболее важных элементов современной радиоаппаратуры, обеспечивая в большинстве случаев настройку контуров как в радиоприемной, так и в радиопередающей аппаратуре. Кроме того, они применяются достаточно широко в измерительной аппаратуре и в разнообразных устройствах электронной техники.

К рассматриваемому типу конденсаторов можно также отнести подстроечные конденсаторы (конденсаторы полупеременной емкости), у которых емкость изменяют лишь в период настройки аппаратуры при выпуске ее с завода; после того, как подобрано нужное значение емкости, оно фиксируется и конденсатор работает в дальнейшем как конденсатор постоянной емкости; новая перенастройка конденсатора производится только при ремонте данной аппаратуры.

Изменение емкости в конденсаторах с механическим управлением достигается за счет изменения одной из двух величин, определяющих емкость: площади обкладок или зазора между обкладками. При этом в основном используются или конденсаторы плоского типа (обычно плоского многопластинчатого) или цилиндрического (трубчатого) типа. В первом случае при постоянстве зазора, согласно формулам

емкость конденсатора должна изменяться прямо пропорционально изменению площади перекрытия обкладок (рис. 20, а).

184

Рис. 20. Изменение емкости плоского конденсатора: а – за счет изменения площади перекрытия обкладок при поступательном или вращательном движении при постоянном зазоре; б – за счет изменения зазора при постоянной площади перекрытия обкладок

Для изменения последней необходимо производить механическое перемещение обкладок одного знака по отношению к обкладкам другого знака. Это перемещение, изменяющее площадь перекрытия, можно осуществлять или поступательным, или вращательным движением. Чаще всего в переменных конденсаторах применяется вращательное движение подвижной системы обкладок (ротора) по отношению к неподвижной (статору).

При изменении зазора между обкладками плоского конденсатора его емкость, согласно формуле (4), должна изменяться обратно пропорционально величине зазора; при этом изменение емкости носит гиперболический характер (рис. 20, б). Для изготовления подстроечных конденсаторов малой емкости с тонкой регулировкой емкости обычно используют правую ветвь кривой, где емкость мало изменяется с изменением зазора. Левая часть кривой используется в подстроечных воздуш- но-слюдяных конденсаторах. Неудобством этого способа изменения емкости является то, что при изменении зазора меняется пробивное напряжение конденсатора. Этот способ регулировки емкости применяется относительно редко.

185

а) плоские многопластинчатые конденсаторы с вращательным движением одной системы обкладок (пластин) по отношению к другой;

б) цилиндрические конденсаторы с поступательным движением внутренней обкладки по отношению к внешней.

По виду диэлектрика переменные конденсаторы можно разбить на следующие типы:

1)с газообразным или жидким диэлектриком: воздушные, вакуумные, газонаполненные, маслонаполненные;

2)с твердым неорганическим диэлектриком: керамические, стеклянные, воздушно-слюдяные;

3)с твердым органическим диэлектриком: пластмассовые, воздушно-пленочные.

По основному назначению различают конденсаторы: а) для радиоприемной аппаратуры; б) для радиопередающей аппаратуры; в) для электроизмерительной техники.

В случаях «а» и «в» конденсаторы рассчитываются на небольшие напряжения, обычно не превышающие нескольких сотен вольт, а чаще – нескольких десятков вольт.

В случае «б» при работе конденсатора в колебательном контуре большой мощности напряжения на конденсаторе могут достигать десятков киловольт.

При небольших напряжениях основным типом переменного конденсатора с механическим управлением емкостью является воздушный конденсатор плоского многопластинчатого или цилиндрического типов. Этот тип конденсатора обеспечивает возможность получения наиболее высоких электрических свойств (малый tg δ, малый ТКЕ, стабильность емкости), но

имеет относительно большие размеры, что ограничивает верхний предел емкости значениями порядка 500…600 пФ.

Заливка зазоров в воздушном переменном конденсаторе жидким диэлектриком увеличивает его емкость в ε раз, т.е. примерно в 2 раза при неполярных жидкостях и в 4…6 раз –

187

при полярных, одновременно повышая и пробивное напряжение конденсатора. Однако замена воздуха жидкостью резко ухудшает электрические свойства конденсатора и требует его герметизации, что усложняет конструкцию и вызывает увеличение размеров, которое даже может свести на нет выигрыш в емкости, т.е. препятствовать существенному улучшению удельных характеристик конденсатора. Поэтому переменные конденсаторы с жидким диэлектриком применяются редко.

Значительно большее распространение получили переменные конденсаторы с твердым диэлектриком, как неорганическим, так и органическим; в основном эти конденсаторы применяются в качестве подстроечных. У таких конденсаторов заметно улучшены удельные характеристики, но электрические свойства обычно значительно хуже, чем у воздушных конденсаторов, а потому замена воздушного конденсатора переменным конденсатором с твердым диэлектриком не всегда возможна.

При использовании твердого диэлектрика в переменном конденсаторе, когда одна обкладка должна перемещаться по отношению к другой, практически не удается исключить наличие воздушного зазора. Поэтому в таком случае мы имеем дело не с одним твердым диэлектриком, а также и с последовательно включенным слоем воздуха, что накладывает особый отпечаток на свойства этих конденсаторов.

Для применения в мощных радиопередающих устройствах, где к конденсатору прикладывается высокое напряжение высокой частоты, газовая изоляция представляет интерес прежде всего из-за возможности получения малого tg δ и высокой ста-

бильности емкости, обеспечивающей стабильность частоты контура. Поскольку в данном случае требуется обеспечить и достаточно высокую электрическую прочность, в качестве диэлектрика в переменном конденсаторе приходится применять сжатый газ или вакуум, причем в последнее время больше используются вакуумные конденсаторы переменной емкости.

188

12.2. Законы изменения емкости с углом поворота

вплоских многопластинчатых конденсаторах

свращательным движением

Сучетом назначения переменного конденсатора от него

может требоваться различный характер изменения емкости в зависимости от угла поворота подвижной системы обкладок (ротора) по отношению к неподвижной (статору), т.е. различный вид функции: Сθ = f (θ), где Сθ есть значение емкости

при некотором частном значении угла поворота θ. Заданный закон изменения емкости с углом поворота можно получить, применяя нужную форму очертания пластин ротора. Форму роторных пластин удобно характеризовать зависимостью переменного радиуса пластины ротора Rθ от угла поворота θ,

применяя полярную систему координат (рис. 22). Найдем общее выражение, которое связывает форму пластины ротора, заданную выражением Rθ = F (θ), по закону изменения емко-

сти с углом поворота: Сθ = f (θ), который мы хотим получить в нашем конденсаторе.

Рис. 22. Прямоемкостный переменный конденсатор

Даем углу θ приращение ∆θ настолько малое, чтобы радиус Rθ практически не изменился. Тогда приращение площади перекрытия пластин статора и ротора ∆Sθ будет представлять собой площадь кругового сектора:

189

Решая это уравнение относительно Rθ и используя бесконечно малое значение ∆θ, получаем общее выражение в дифференциальной форме:

статора и ротора будет меньше площади Sθ из-за наличия вы-

реза в пластинах статора для прохода оси ротора. Если радиус этого выреза будет r, то величина активной площади при некотором значении угла поворота θ

При θ = 0, т.е. при полностью выведенном роторе, емкость переменного конденсатора не равна нулю, а имеет некоторое значение Смин, называемое начальной емкостью. Величина Смин определяется емкостью, обусловленной наличием

небольшого объема твердого диэлектрика (обязательно присутствующего во всяком конденсаторе с газообразным диэлектриком) и емкостью между торцами пластин статора и ротора.

Приращение емкости конденсатора при любом значении угла θ по отношению к начальной емкости Смин (пФ) будет

190