Основные типы диэлектриков, применяемых в производстве конденсаторов

 

Керамические  конденсаторы

 

Керамические конденсаторы изготовляются из трех основных классов керамики: 1) с низкой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями; 2) со средней величиной диэлектрической проницаемости и повышенной температурной стабильностью; 3) с высокой диэлектрической проницаемостью.

Конденсаторы первого класса обычно  изготовляют из стеатита или других подобных материалов. Диэлектрическая проницаемость стеатита примерно равна 8,0; другие материалы этого типа могут иметь ε = 6÷15. Эти диэлектрики обладают превосходными характеристиками при стогах свыше 50 КГц. Коэффициент мощности относительно мал (0,001) и приближается к уровню потерь слюды. Температурный коэффициент ε лежит   в   пределах +80 и +120*10^-6 град^-1. Температурный коэффициент емкости конденсаторов отдельных партий различается меньше, чем у конденсаторов с любыми другими диэлектриками, исключая стекло и вакуум. Конденсаторы работают при сравнительно высоких напряжениях, порядка 500 В (в зависимости от размеров), в интервале температур от   -55 примерно до +150 °С.

Ко второму классу относятся керамические конденсаторы, изготовленные из керамики со средней диэлектрической проницаемостью ε = 6 ÷ 110. В основном это термокомпенсирующие  конденсаторы.   Температурный  коэффициент емкости этих конденсаторов изменяется в пределах от + 100 до  -800 * 10^-6 град^-1 в зависимости от содержания двуокиси титана в составе керамики. Соответственно изменяется и величина ε. Коэффициент мощности мал и при частоте 1 МГц находится в пределах от 0,04 до 0,4%.  Разброс значений   температурного коэффициента емкости (ТКЕ) от указанных номиналов приводит к необходимости оговорить допускаемое его отклонение: ΔТКЕ. Кривая температурного изменения емкости нелинейная, поэтому номинальное значение ТКЕ по изображается наклоном отрезка кривой ΔС, определяемой интервалом температур от 25 до 85° С. Кривая ТКЕ = f (t) не является прямой, проходящей через значение t = 25° С. Допуски указываются как   плюсовые,   так и минусовые для того, чтобы можно было вычислить максимальное и минимальное отклонения ТКЕ от номинала.  Необходимо еще раз подчеркнуть, что все цифры лишь приблизительные и действительны только между 25 и 85° С.  При использовании этих конденсаторов для термокомпенсации  надо выбирать  их расположение в аппаратуре с таким расчетом, чтобы кривая зависимости температуры конденсатора от времени прогрева была такой же, как у той части схемы, для которой осуществляется термокомпенсация.

Термокомпенсирующие керамические конденсаторы используют для следующих  целей: для емкостной связи, для  фиксированной настройки (при высоких частотах), для температурной компенсации, в качестве шунтирующих.

Конденсаторы третьего класса из керамики с высокой диэлектрической  проницаемостью имеют большую удельную емкость. Однако их емкость и коэффициент емкости резко изменяются с температурой; для обеих характеристик это изменение происходит нелинейно и неполностью обратимо.   Например,   у   конденсатора   с  диэлектриком, имеющим ε = 1200, наблюдается резко выраженный максимум  емкости   при температуре   110° С  (точка   Кюри). Коэффициент мощности проходит через минимум в области гемператур 20—40° С. У всех керамических конденсаторов с высокой ε наблюдаются подобные максимумы и минимумы при различных температурах. Во всех случаях чем выше диэлектрическая   проницаемость  диэлектрика,   тем  более резко зависит емкость конденсатора от температуры. Помимо   изменений   с  температурой,   емкость   уменьшается также при воздействии постоянного напряжения, особенно при прохождении через температурный максимум.  Если при температуре 25 С емкость уменьшается на 10—20%, то в точке Кюри  она может снизиться на 50%. Рабочее напряжение ниже, чем для конденсаторов из керамики с низкой диэлектрической проницаемостью. Для конденсаторов данного типа  свойственно явление гистерезиса, поэтому они пригодны для работы при низком переменном напряжении. В результате ров данного класса уменьшается, снижение емкости может достигать 25% за первые 1000 ч старения Эффект старения обычно имеет асимптотический характер и ослабевает со временем. Свойства конденсаторов из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью настолько резко изменяются под воздействием температуры, напряжение, частоты и при испытании на старение, что трудно указать средние значения параметров.  применяются

для следующих целей: в качестве шунтирующих (на радиочастоте); для емкостной связи (в промежуточных контурах, когда нужна большая емкость); в качестве фильтровых.

 

Стеклянные  конденсаторы

 

Конденсаторы с диэлектриком из стекла были разработаны для замены слюдяных конденсаторов. Секции стеклянных конденсаторов набирают из чередующихся слоев стеклянной ленты в виде тонкой пленки толщиной 12,7—25 мк и алюминиевой фольги и спекают в монолитный блок. Стекло может быть получено очень однородным. Так как ε стекла выше, чем у слюды, то объем стеклопленочных конденсаторов меньше объема слюдяных той же емкости. Сопротивление изоляции при 25°С обычно порядка 150000 МОм. Стеклянные конденсаторы имеют  положительный  температурный   коэффициент,  порядка 140 10^-6 град^-1. Они весьма стабильны, их емкость и добротность совершенно постоянны. При 1 МГц и 25° С добротность конденсаторов с емкостью от 10 до 1000 пФ обычно   не   менее  2000.

Поскольку корпус конденсатора изготовляется из того же материала, что и диэлектрик между обкладками, легко получить высокое значение добротности при малых емкостях; малая индуктивность выводов, непосредственно присоединенных к обкладкам, дает высокое значение Q и при больших емкостях.

Конденсаторы рассчитаны на работу при температуре окружающей среды до 85 и 125° С (при соответствующем снижении номинального напряжения). Стеклянные конденсаторы используют для   следующих   целей:   для   блокировки,   на стройки, для емкостной связи и в качестве шунтирующих.

 

Стеклоэмалевые конденсаторы

 

Стеклоэмалевые конденсаторы изготовляют методом пыления или прессования слоев стеклоэмали и серебря пасты до получения нужного числа слоев диэлектрика обкладок. Затем заготовку спекают для того, чтобы образовалась монолитная остеклованная структура.

Стеклоэмалевые конденсаторы имеют следующие характеристики:                                                                  

1)  превосходные высокочастотные характеристики (коэффициент мощности снижается с частотой при ее изменении от 1 КГц до 1 МГц, после чего увеличивается с ростом частоты вплоть до 100 МГц);

2)  в диапазоне температур  от -55 до +200° С общее изменение емкости составляет 5%;

3) температурный  коэффициент   емкости  равен   115±25*10^-6 град^-1;

4) способность  работать  при соответствующем снижении напряжения при температуре 200° С;                         I

5) стабильность емкости  во времени высока, необратимое изменение емкости менее 0,08%;

6) очень высокое R_is при 25° С, выше 10⁶ МОм;

7)  хорошая добротность;  при 25° С и 1 МГц добротность Q = 1800 ÷ 3000;

8)  тангенс угла  диэлектрических потерь при 25°  С приблизительно равен 0,001; при 200° С достигает величины порядка 0,01;

9)  постоянная времени при 100° С выше 10 МОм*мкФ. Как и в случае стеклянных конденсаторов, корпус изготовляют из того же материала, который используется в качестве диэлектрика между обкладками; это устраняет опасность появления короны у краев обкладок при высоком напряжении.

Стеклоэмалевые конденсаторы применяют в тех же цепях, что и стеклянные конденсаторы.

 

Пленочные конденсаторы

 

Пленочными конденсаторами называются конденсаторы с диэлектриком из синтетических пленок, например из полистирола, полиэтилентерефталата (майлар), политетрафторэтилена (тефлон), которые используются или самостоятельно, или в сочетании с другим диэлектриком. Полистирольные конденсаторы изготовляют уже в течение многих лет. Они имеют следующие характеристики:

1)  постоянная времени очень высока: при комнатной Температуре (+25°С) превышает 10⁶ МОм* мкФ, при повышении температуры до +65° С снижается незначительно;

2)  диапазон рабочих температур от -55 до 65° С (некоторые типы конденсаторов малой емкости могут работать при температуре до +85° С);

3)  коэффициент мощности  при 25° С порядка 0,0005 (сравним  с cosφ для слюдяных конденсаторов) и не зависит от частоты;

4)  диэлектрическая  абсорбция низкая; это допускает  использование конденсаторов в  цепях с большой постоянной времени;

5)  температурный коэффициент  емкости отрицательный, может достигать  минус 200 * 10^-6 град^-1 в зависимости от конструкции конденсатора;

6)  необратимое изменение  емкости во времени меньше 0,2%;

7)  добротность Q выше 4000.

Полистирольные конденсаторы выпускают для следующих областей применения: для цепей точной выдержки времени, для интегрирующих устройств, для настроенных контуров с высокой добротностью и в качестве образцов емкости.

Полиэтилентерефталат (майлар) — перспективный диэлектрик и в будущем может в значительной мере заменить собой бумагу. Однако для его свойств характерна определенная температурная и частотная зависимость. Верхний предел его рабочей температуры выше, чем у бумаги, и достигает 150° С. Однослойные секции из этой пленки пропитываются полистиролом, минеральным маслом и другими подобными веществами для заполнения сквозных отверстий; могут быть также намотаны секции с двумя (и более) слоями пленки, как в случае бумажных конденсаторов.

Пленка отличается хорошей  механической прочностью и может  легко металлизироваться методом  испарения в вакууме. Так как  эта пленка чувствительна к влаге, то конденсаторы необходимо герметизировать.

Конденсаторы с диэлектриком из пленки майлар имеют следующие  характеристики:

1)  постоянная времени  при 25° С обычно вдвое выше, чем у бумажных конденсаторов  (при 25° С выше 50 000 МОм*мкФ, при 150° С обычно выше 10 Мом*мкФ);

2)  рабочая температура до 150° С, обычно при условии значительного снижения номинального напряжения;

3)  тангенс угла  потерь не более 0,01 при 85°  С и не более 0,016 при  160°  С;

4)  диэлектрическая  абсорбция небольшая, меньше, чем  у слюдяных конденсаторов, если не применена пропитка кремний органической жидкостью;

5) изменение емкости  не более ±4% при изменении температуры  от —55 до +85° С, не более ±20% при изменении температуры от —55 до +150° С.

Конденсаторы с диэлектриком из полиэтилентерефталата используют в тех же цепях и устройствах, что и обычные бумажные конденсаторы, когда требуется более высокое сопротивление изоляции, более высокая рабочая температура и меньшая абсорбция, чем для бумажного конденсатора.

Конденсаторы с диэлектриком из пленки политетрафторэтилена (тефлон) способны работать при еще более высокой температуре (до 200°С), однако трудно изготовить пленку толщиной 6,3 и 12,7 мк с требуемыми характеристиками.

Конденсаторы этого  типа имеют следующие характеристики:

1)  постоянная времени высокая; при 25° С она выше 10⁶ МОм*мкФ, при 200° С обычно выше 200 Мом*мкФ;

2)  диапазон рабочих  температур от —55 до +200° С;

3)  диэлектрическая  абсорбция малая, такая же, как  у полистирола;

4)  температурный коэффициент  емкости отрицательный, порядка —200*10^-6 град^-1;

5)  тангенс угла  потерь низкий, менее 0,0005 при 25°  С;

6)  отклонение емкости  от номинала до ±1%;

7)  добротность выше 5000;

8)  изменение емкости  в диапазоне температур от  —55 до +200° С менее ±4%.

В связи с дороговизной конденсаторы с диэлектриком из пленки этого типа используются только там, где необходимы высокая рабочая температура, низкий угол потерь, высокая добротность, очень высокое сопротивление изоляции и малое изменение емкости с температурой.

 

Электролитические конденсаторы

 

Выдающаяся  характеристика электролитических  конденсаторов  — очень высокая удельная емкость, т. е. емкость, рассчитанная на единицу объема. Это преимущество особенно заметно при малых рабочих напряжениях. Электролитические конденсаторы можно изготовлять несколькими способами. Существенным признаком является наличие двух электродов, погруженных в электролит, с электрохимически полученной пленкой окиси,  которая работает в качестве диэлектрика на одном или на обоих электродах. 1. Полярный алюминиевый электролитический конденсатор — наиболее старый тип электролитического конденсатора. Конденсаторы наматываются,   подобно бумажным, из лент гладкой или травленой фольги. На поверхность одной из   лент,   анодной   или положительной, нанесен слой оксида. Травление фольги (или шоопирование ткани, что является другим вариантом конструкции)    увеличивает активную   поверхность, в результате чего достигается значительное увеличение емкости конденсатора.

При длительном хранении электролитические конденсаторы необходимо       периодически подформовывать.   Через 6 месяцев хранения при комнатной температуре, если ток утечки конденсаторов велик, оксидная пленка  должна быть вновь подформована.

Электрические свойства электролитических алюминиевых конденсаторов изменяются в широких пределах в зависимости от условий эксплуатации. Некоторые примеры приведены ниже.

а)  Емкость. При повышении температуры от 25 до 85° С емкость несколько возрастает (на 10%) и уменьшается при снижении температуры до —20° С. При более низких температурах емкость быстро падает. Емкость также несколько снижается с повышением частоты: в интервале частот от 60 Гц до 10 КГц она снижается примерно на 10%.

б)  Коэффициент мощности. При 120 Гц и 25° С cosφ = = 0,02÷0,35; при 85° С он обычно незначительно уменьшается и резко возрастает при —40° С. Значительное увеличение cosφ наблюдается также при возрастании частоты. Вместо того чтобы характеризовать потери значением cosφ или tgδ, в обычной практике используют величину r_s последовательного сопротивления, эквивалентного потерям. Как cosφ, так tgδ зависят и от реактивной, и от активной составляющих сопротивления конденсатора. Эквивалентное последовательное сопротивление характеризует только активную часть полного сопротивления, а величина его определяется потерями в металлических частях и удельным сопротивлением электролита. Обычно величина r_s определяется главным образом проводимостью электролита и в меньшей степени сопротивлением металлических электродов, контактов и выводов.