Оксидный конденсатор

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.
При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.
Цель: расчет оксидного конденсатора с параметрами, указанными в задании.

Получен конденсатор емкостью 25 мФ, с номинальным напряжением 200 В и следующими геометрическими параметрами:
 цилиндрическая форма;
 высота 5,1 см;
 диаметр 4 см.
Масса рассчитанного конденсатора равна 154,2 г.
Реальных аналогов данного конденсатора найти не получилось. Самый близлежащий по параметрам конденсатор типа B43458
Недостатки рассчитанного типа конденсаторов – оксидный конденсатор намотанного типа:
1. Полярность. Полярные конденсаторы недопустимы с работой в переменном токе.
2. Большой ток утечки. Такие конденсаторы не годятся для длительного хранения энергии заряда, но они хорошо себя зарекомендовали в качестве промежуточных элементов, в фильтрах активных схем и пусковых установках двигателей.
3.Снижение емкости с увеличением частоты. Такой недостаток легко устраняется с помощью параллельно подключенного керамического конденсатора с очень маленькой ёмкостью.

3. Оксидный конденсатор

Электролитические (оксидные) конденсаторы применяются в электронной технике настолько часто, что порой мало кто задумывается о том, как они устроены, как изготавливаются и какими основными свойствами обладают. Эти знания могут понадобиться разработчику, чтобы учесть при создании нового изделия электронной техники, при модернизации уже разработанного, при его ремонте данные особенности и избежать связанные с этим неприятности.
Таблица 3.1 – Типы оксидных конденсаторов
Тип конденсатора
Диэлектрик
Диэлектрическая проницаемость
Толщина диэлектрика
Алюминиевый электролитический конденсатор
Оксид алюминия
7 – 10
0,0013 – 0,0015 мкм/В
Танталовый электролитический конденсатор
Оксид тантала
24
0,001 – 0,0015 мкм/В
Пленочный конденсатор (металлизированный)
Полиэстерная пленка
3,2
0,5 – 2,0 мкм
Керамический конденсатор
Титанат бария
500 – 20000
5 мкм
Керамический конденсатор (термокомпенсированный)
Оксид титана
15 – 250
5 мкм


2.1.1 По характеру изменения емкости
Конденсаторы постоянной емкости разновидность неполярных конденсаторов - ибо у них нет полярности. Имеют, как правило, небольшие значения ёмкости (до 1 мкФ). Т.к. они неполярные, то могут подключаться как угодно. Оба вывода этих конденсаторов абсолютно равнозначны. Такие конденсаторы трудно повредить перегревом при пайке. Определить ёмкость постоянного конденсатора по надписям на его корпусе не всегда просто в связи с тем, что существует множество типов конденсаторов и множество различных систем маркировки конденсаторов.

Рисунок 2.1 – Пример маркировки конденсаторов
Если необходимо купить конденсаторы постоянной ёмкости, то важно знать не только его ёмкость, но и необходимое напряжение, на которое он должен быть рассчитан. Они, как правило, допускают высокое максимальное напряжение на конденсаторе, как минимум 50 вольт, обычно 250 вольт и более. Оно также должно быть указано на его корпусе. Это очень важно.
...

2.1.2 По полярности
Полярные конденсаторы
Имеют относительно большие значения ёмкости, в основном от 1мкФ и больше.
При подключении электролитических конденсаторов необходимо соблюдать полярность, в отличие от неполярных конденсаторов. По крайней мере один из выводов конденсатора обозначен знаком «+» или «-».

Рисунок 2.6 – Обозначение полярного конденсатора на схемах
Существует два исполнения электролитических конденсаторов: осевой, когда выводы расположены с каждой стороны корпуса конденсатора (220 мкФ на рисунке 2.7) и радиальный, когда оба вывода расположены с одной стороны конденсатора (10µF на рисунке 2.7). Радиальные полярные конденсаторы обычно немного меньше и на печатной плате располагаются вертикально, поэтому занимают меньше места.

Рисунок 2.
...

2.1.3 По материалу диэлектрика
Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

Рисунок 2.9 – Классификация конденсаторов по материалу диэлектрика
Разновидностей диэлектриков в конденсаторах очень много и подробно рассматривать каждый мы не будем. Остановимся лишь на наиболее распространенных видах диэлектрика для конденсаторов.
Оксидный диэлектрик (Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы.)
Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего большой удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой.
...

2.1.4 По способу монтажа
Для печатного монтажа
Поверхностный монтаж — технология изготовления электронных изделий на печатных платах.

Рисунок 2.10 – Печатная плата
Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (англ. surface mount technology) и SMD-технология (от англ. surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют «чип-компонентами». ТМП является наиболее распространённым на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным отличием ТМП от «традиционной» технологии — сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы.

Рисунок 2.11 – Конденсатор на печатной плате
Для навесного монтажа
Навесной монтаж — способ монтажа электронных схем, при котором расположенные на изолирующем шасси радиоэлементы соединяются друг с другом проводами или непосредственно выводами.
...

2.2 Область применения конденсаторов

В современной технике конденсаторы находят себе исключительно широкое и разностороннее применение, прежде всего в области электроники. Здесь можно отметить их применение для следующих основных целей:
• В радиотехнической и телевизионной аппаратуре – для создания колебательных контуров, их настройки, блокировки, разделения цепей с различной частотой, в фильтрах выпрямителей.
• В радиолокационной технике– для получения импульсов большой мощности, формирования импульсов и т.д.
• В телефонии и телеграфии – для разделения цепей постоянного и переменного токов, разделения токов различной частоты, искрогашения в контактах, симметрирования кабельных линий и т.д.
• В автоматике и телемеханике – для создания датчиков на ёмкостном принципе, разделения цепей постоянного и пульсирующих токов, искрогашения в контактах, в схемах тиратронных генераторов импульсов.
...

2.3 Основные характеристики конденсаторов

2.3.1 Емкость
Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.
...

2.3.4 Полярность

Рисунок 2.16 – Конденсаторы, разрушившиеся без взрыва, из-за действия температуры и напряжения, не соответствовавших рабочим.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.
Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств).
...

2.3.8 Тангенс угла диэлектрических потерь
Тангенс угла диэлектрических потерь - отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол:
,
где — угол диэлектрических потерь.
При отсутствии потерь () тангенс угла диэлектрических потерь определяется отношением активной мощности Pа к реактивной Pр при синусоидальном напряжении определённой частоты:

Величина, обратная , называется добротностью конденсатора:

Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.
2.3.9 Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)
ТКЕ — относительное изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина).
...

2.4 Материалы обкладок
Если при постоянном напряжении обкладки конденсатора практически не нагружены током и по существу служат лишь для создания электрического поля в диэлектрике (если не считать моменты зарядки или разряда конденсатора), то при переменном напряжении они должны нести значительный ток, в этом случае приходится уделять внимание расчету толщины обкладки и величине удельного сопротивления металла, из которого она изготовлена. При тепловых расчетах конденсаторов переменного напряжения приходится учитывать также теплоемкость и теплопроводность металла обкладок. Плотность металла играет роль при расчете веса конденсатора. Представляют интерес и такие характеристики металла, как коэффициент линейного расширения (при подсчете ТКЕ) и температура плавления (при оценки нагревостойкости).
...

1 Битнер Л.Р., Р.М. Капилевич «МиЭЭТ. УМП по выполнению курсового проекта» - М. «ТУСУР», 2006
2 Гусев В. Г., Гусев Ю. М. «Электроника, второе издание» - М., Высшая школа, 1991
3 Самоделов А. «Вестник электроники № 3»: «Алюминиевые электролитические конденсаторы» - Р., октябрь 2011
4 Фролов В.В. «Язык радиосхем», М., 1988
5 http://katod-anod.ru/articles/15
6 electrik.info
7 http://go-radio.ru
8 amfilakond.ru
9 Михаилов И.В., Пропошин А.И. «Конденсаторы»: М., Энергия, 1973
10 Справочник «Алюминиевые электролитические конденсаторы», компания «EPCOS», М., 2009
11 Патлах В.В. «Энциклопедия Технологий и Методик» - П., 2007.
12 Ренне В.Т., Багалей Ю.В., Фридберг И.Д. «Расчет и конструирование конденсаторов» – К.: Техника, 1966.