Электрические конденсаторы 2 страница

Основой сегнетокерамических материалов для конденсаторов 2-го типа являются главным образом титанаты, цирконаты и ниобаты щелочноземельных металлов: ВаТiО₃, СаZrO₃, PbMg_1|3Nb_2|3O₃ и другие [4, 5]. Диэлектрическая проницаемость магнийниобатов достигает десятков тысяч.

Ограничиться индивидуальными соединениями здесь не удается из-за неблагоприятной, в плане температурной стабильности емкости, температурной зависимости ε сегнетоэлектрика. Напомним, что последняя имеет острый максимум в точке Кюри, то есть при температуре перехода из сегнетоэлектрической в параэлектрическую фазу. Поэтому если точка Кюри соединения - сегнетоэлектрика находится вне рабочего диапазона температур конденсатора, достигнуть необходимой величины e материала не удается. Кроме того, наличие острого максимума e(Т) недопустимо с точки зрения температурной стабильности емкости конденсатора.

С целью сглаживания e(Т) используют, в частности, эффект размытого фазового перехода (РФП) – получают твердые растворы соединений с различной температурой Кюри, так что в силу непериодического расположения ионов разного сорта, например ионов Ti⁺⁴ и Zr⁺⁴ в твердом растворе ВаТiО₃-ВаZrO₃ (e = 8000 – 10000), отдельные микрообласти кристалла обладают различными температурами фазового перехода. В результате фазовый переход во всем объеме кристалла оказывается размытым (рис.2.8).

Рис.2.8. Схематичное изображение температурной зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика для индивидуальных соединений (1- неразмытый фазовый переход) и для твердых растворов (2 – размытый фазовый переход)

Для получения еще большей температурной стабильности используют керамику с зонально-оболочечной структурой зерен (рис.2.9).

Рис.2.9. Керамические материалы со сглаженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры: а – схема строения зонально-оболочечной структуры зерна (1 – зерно ВаТiО₃; 2 – оболочка зерна – твердый раствор с размытым фазовым переходом); б – схематическое изображение температурной зависимости e (1- ВаТiО₃; 2 – твердый раствор с размытым фазовым переходом; 3 – керамический материал с зонально-оболочечной структурой зерен)

Каждое зерно состоит из центральной части - ВаТiО₃ и оболочки – твердого раствора с размытым фазовым переходом.

Конденсаторы 3-го типа - конденсаторы, предназначенные для работы в тех же цепях, что и конденсаторы 2-го типа, но имеющие по сравнению с ними несколько меньшее значение сопротивления изоляции и большее значение тангенса угла диэлектрических потерь, что практически ограничивает область их применения низкими частотами.

Основным элементом конденсаторов этого типа служит полупроводниковая керамика на основе ВаТiО₃.

Она получается посредством восстановления диэлектрической керамики при высоких температурах, в результате чего получают нестехиометрическое соединение ВаТiО_3-х.. Положительный эффективный заряд дефектов нестехиометрии – кислородных вакансий – компенсируется переходом части ионов Тi (элемента переменной валентности) из состояния Тi ⁺⁴ в состояние Тi⁺³, либо посредством образования твердых растворов замещения, где ионы Ва и Тi частично замещаются более высоковалентными ионами, что также переводит часть ионов Тi⁺⁴ в состояние Тi⁺³.

При этом возникает прыжковый перенос заряда между разновалентными катионами, и проводимость титаната бария повышается на 10-12 порядков величины.

Рабочим диэлектриком конденсаторов 3-го типа служат образуемые в приповерхностной области керамических заготовок или вокруг каждого зерна тонкие изолирующие слои.

Для получения керамики с межзерновыми слоями наряду с элементами, придающими титанату бария полупроводниковые свойства в приповерхностную область зерен вводят дополнительные примеси, замещающие Ва и имеющие валентность ниже 2 или замещающие Тi и имеющие валентность меньше 4, так что каждое зерно представляет собой гетерогенную сильно неоднородную систему: сердцевина – полупроводниковый титанат бария, оболочка – диэлектрический изолирующий слой (межзерновой слой или МЗС).

Величина эффективной диэлектрической проницаемости полупроводниковой керамики с МЗС достигает значений порядка .

Кроме керамических конденсаторов, к конденсаторам с неорганическим диэлектриком относят слюдяные конденсаторы (К31, К32), в которых в качестве диэлектрика используют пластины конденсаторной слюды толщиной 0,02-0,06 мм. Их достоинствами являются высокая стабильность величины емкости, высокие добротность и надежность.

Еще одним типом неорганических конденсаторных диэлектриков является стекло (конденсаторы типа К22) и стеклокерамика.

При изготовлении конденсаторов с неорганическим диэлектриком используются, главным образом, две базовые конструкции:

- однослойные конденсаторы плоской конструкции (дисковые, пластинчатые)

- и многослойные конденсаторы монолитной конструкции

Керамические монолитные конденсаторы представляют собой спеченный пакет из чередующихся друг с другом слоев керамического диэлектрика и металлического электрода (рис.2.10).

Рис.2.10. Схема сборки пакета-матрицы заготовок монолитных конденсаторов. Вертикальными линиями показаны места разреза матрицы на отдельные заготовки.

Видно, что в одном пакете реализуется параллельное соединение конденсаторов (), причем число слоев составляет несколько десятков при толщине слоев до 10 мкм. Эта конструкция является наиболее перспективной в плане достижения максимальной удельной емкости, технологичности, а также отсутствия ограничений по толщине, связанных с хрупкостью керамики.

Совершенствование конденсаторов данного класса идет по нескольким путям:

- создание новых диэлектрических материалов с необходимыми свойствами;

- уменьшение толщины керамических слоев до единиц мкм;

- получение тонких слоев сегнетоэлектриков.

2.2.2. КОНДЕНСАТОРЫ С ОКСИДНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

Диэлектриком конденсаторов этого класса являются тонкие оксидные пленки Ta₂O₅, Al₂O₃ и Nb₂O₅, формируемые на поверхности соответствующего металла - основы методом электрохимического оксидирования. В качестве базовых металлов используют главным образом алюминий, тантал, ниобий и их сплавы.

Базовый металл используется в качестве одной из обкладок конденсатора – анода. Другой обкладкой является электролит, полупроводник или в интегральных сборках или схемах – металл. В зависимости от этого различают электролитические (алюминиевые К-50 и танталовые К-52), оксидно-полупроводниковые (К-53) и оксидно-металлические конденсаторы.

По величине диэлектрической проницаемости анодные оксидные пленки (АОП) уступают многим керамическим материалам: на частоте 1 кГц у Ta₂O₅ диэлектрическая проницаемость 27,6; у Al₂O₃ - 8,5; у Nb₂O₅ - 41,4. Тем не менее оксидные конденсаторы, реализующие емкость в системе металл - оксид металла - катодный материал, обладают рекордно высокими значениями удельной емкости и удельного заряда. Своим преимуществам они обязаны:

- сочетанию малой (субмикронной) толщины диэлектриков, обладающих при этом высокой электрической прочностью;

- особенностям конструкции - специально развитой поверхности анода, что позволяет существенно повысить его площадь в расчете на единицу объема (массы).

Развитие поверхности с целью увеличения площади анода осуществляется одним из двух способов.

В первом варианте металлический анод представляет собой объемно-пористое тело, полученное методами порошковой металлургии – высокотемпературным нагревом заготовки из порошка металла в вакуумированной камере. Частицы металла при этом спекаются, что обеспечивает необходимую механическую прочность анода. Тело такого анода пронизано порами. Это позволяет осуществлять оксидирование и заполнение пор веществом второй обкладки (электролитом, твердофазным полупроводником).

Использование мелкодисперсных порошков, порошков с развитой поверхностью частиц и других позволяет добиться гигантских значений площади поверхности в расчете на единицу объема.

Так, целесообразность применения мелкодисперсных порошков обусловлена тем, что отношение площади поверхности к объему для сферической части цы . При уменьшении размера частицы можно достичь реализуемой в емкости площади поверхности м² в расчете на 1 см³ объема и тем самым получить рекордно высокие значения удельных емкости и заряда при не слишком высоких значениях e диэлектрика.

Конструктивно оксидные конденсаторы с объемно-пористым анодом состоят из двух металлических электродов, погруженных в случае электролитических конденсаторов в электролит. На поверхности одного из электродов сформирован диэлектрический оксидный слой, второй электрод – катод – служит корпусом конденсатора и представляет собой вывод от электролита.

Второй вариант анода оксидного конденсатора представляет собой травленую металлическую фольгу. Так, технология электрохимического травления алюминия дает возможность повысить площадь анодной фольги по сравнению с площадью гладкой фольги до 100 раз.

Конструктивно фольговые конденсаторы выполнены в виде намотанного рулона, что позволяет приблизиться к соизмеримым с объемно-пористыми анодами значениям удельной емкости. Вторая обкладка в фольговых конденсаторах изготавливается из специальной бумаги (или полимерной пленки), пропитанной электролитом, смачивающим поверхность оксидного слоя, либо из стеклоткани.

Наряду с очевидными достоинствами оксидных конденсаторов при их использовании возникает ряд проблем.

1. Значительная величина тока утечки I_УТ, что само по себе ограничивает возможные области применения (например, в цепях защиты от постоянного тока), а также ограничивает допустимые рабочие напряжения.

Анодные оксидные пленки (АОП) обладают далеким от лучших изоляторов значением удельного сопротивления (не выше 10¹⁴-10¹⁵ Ом·см при номинальном напряжении). По своей структуре они представляют собой некристаллические вещества с соответствующими дефектами нестехиометрии и примесными дефектами, образующими в квазизапрещенной зоне электронные локализованные состояния. Основным механизмом переноса заряда в АОП является прыжковый перенос. Так, в случае оксидов металлов переменной валентности (оксидов переходных металлов) Тi и Nb имеют место термически активированные перескоки носителей заряда – поляронов – между разновалентными катионами основы.

Необходимо также учитывать вклад в ток утечки дефектных участков оксидной пленки – локальных утоньшений, нарушений состава, кристаллических включений, обладающих по сравнению с однородным оксидом повышенной проводимостью.

Такие макродефекты могут быть как «генетическими», связанными, например, с наличием неконтролируемых примесей, так и «биографическими», возникающими, например, в процессе формирования полупроводниковой обкладки, чаще всего двуокиси марганца МnO_2, что осуществляется путем термического разложения (пиролиза) раствора нитрата марганца при достаточно высоких температурах (~673 К), в результате чего становится возможным частичное восстановление оксида.

Наконец, следует учитывать возможность протекания в оксидном диэлектрике инжекционных токов, обусловленных инжекцией неравновесных носителей заряда из материалов электродов. С этим обстоятельством связана вторая проблема (часто основная) – проблема применения оксидных конденсаторов.

2. Униполярность оксидных конденсаторов. На рис.2.11 показаны характерные вольт-амперные характеристики. Видно, что они похожи на ВАХ диода..

При положительном потенциале на аноде через конденсатор протекает сравнительно небольшой ток утечки, а при приложении обратного напряжения регистрируется ток достаточно большой величины. Поэтому включать оксидный конденсатор в электрическую цепь можно лишь определенным образом, так чтобы на аноде был положительный потенциал. Наиболее выражен этот эффект у электролитических конденсаторов (рис.2.11).

Вентильные свойства конденсаторных структур с оксидным диэлектриком при подаче отрицательного потенциала на базовый электрод обусловлены инжекцией в оксидный диэлектрик неравновесных носителей заряда – электронов из базового металла и протонов из водородсодержащего материала второй обкладки – рабочего электролита или содержащей воду пористой двуокиси марганца.

Рис.2.11. Типичные вольт-амперные характеристики рабочих структур танталовых электролитических (1), оксидно-полупроводниковых (2) и оксидно-металлических (3) конденсаторов.

3. Ограниченный диапазон рабочих частот и температур. Это связано со свойствами материала второй обкладки – высоким, по сравнению с лучшими проводниками, удельным сопротивлением и его увеличением при понижении температуры. Вследствие сравнительно высокого сопротивления катодной обкладки (электролита, полупроводника) величина tg d оксидных конденсаторов даже на частоте 50 Гц при нормальной температуре достаточно велика: tg d» 0,05 ¸ 0,20. С ростом частоты tg d линейно возрастает. Диапазон рабочих частот оксидного конденсатора принципиально ограничен величиной так называемой критической частоты f_кр, при превышении которой необходимо учитывать свойства объемно-пористого анода как системы с распределенными параметрами, что проявляется в резком уменьшении емкости конденсатора и возрастании tg d.

С понижением температуры tg d оксидных конденсаторов резко возрастает в связи с увеличением сопротивления катодного материала, что ограничивает температурный диапазон снизу.

Верхняя граница рабочих температур, кроме физических свойств катодного материала, определяется экспоненциальным ростом проводимости оксидного диэлектрика с увеличением температуры. Как правило, даже у конденсаторов герметизированной конструкции максимальная рабочая температура не превышает 125 ^оС.

4. Проблема достижения необходимого ресурса оксидных конденсаторов.

Ресурс ограничен процессами старения оксидного диэлектрика, главными из которых являются кристаллизация оксидного диэлектрика (это характерно для оксидно-электролитических конденсаторов) и развитие пробоя диэлектрика в оксидно-полупроводниковых и оксидно-металлических конденсаторах, а также коррозионные процессы на обкладках электролитических конденсаторов и частичная потеря (улетучивание) электролита.

Желание в полной мере воспользоваться очевидными преимуществами оксидных конденсаторов воплощается в поиске и нахождении путей технического решения указанных проблем. Основные направления поиска состоят в следующем:

1. Производство новых металлических порошков, в том числе многочисленных классов порошков с частицами осколочной формы, с развитой формой зерна (губчатые, агломерированные и другие) и фольгированных материалов, обеспечивающих возможность создания конденсаторов, рассчитанных на повышенные напряжения (например, оксидно-полупроводниковых конденсаторов на 125 В), что в совокупности с высокими значениями удельной емкости, позволяет еще более повысить удельный заряд оксидных конденсаторов, уменьшить их размеры и снизить расход дефицитного и дорогостоящего тантала.

2. Использование новых анодных материалов, в том числе сплавов металлов, например сплавов системы Аl-Ti, оксидные слои которых обладают повышенной, по сравнению с применяемыми оксидными диэлектриками, диэлектрической проницаемостью.

3. Использование новых материалов для второй обкладки конденсаторов, в том числе электролитов и полупроводников с более низким сопротивлением и широким температурным диапазоном.

4. Совершенствование технологии изготовления конденсаторов, направленное на улучшение их токовых характеристик и повышение временной стабильности параметров, в том числе выбор условий формирования оксидного диэлектрика в части электрических режимов и состава формовочного электролита.

2.2.3. КОНДЕНСАТОРЫ С ОРГАНИЧЕСКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

На протяжении многих лет в качестве рабочего диэлектрика конденсаторов этого типа использовалась главным образом специальная конденсаторная бумага в виде длинных и тонких листов, пропитанная минеральным маслом с целью заполнения воздушных пор и повышения электрической прочности и стабильности материала. Бумажные фольговые конденсаторы КБГ, БМ, БГМ, БМТ состоят из двух длинных полос алюминиевой или свинцово-оловянной фольги, разделенных несколькими слоями специальной бумаги толщиной от 4 до 12 мкм и свернутых посредством намотки в виде рулона.

Для уменьшения размеров конденсаторов металлические обкладки в виде пленки наносят непосредственно на бумагу. Такие конденсаторы называются металлобумажными (МБГЦ, МБГП, МБТО, МБМ и др.)

Достоинством бумажных конденсаторов является широкий диапазон рабочих напряжений (от 200 до 4000В) и номинальных величин емкостей (от 470 пФ до 10 мкФ), что позволило создать широкую номенклатуру изделий.

Вместе с тем они обладают и существенными недостатками: по величинам R_ИЗ и tg δ они уступают конденсаторам с неорганическим диэлектриком; обладают большой собственной индуктивностью (обкладки образуют спираль), так что диапазон рабочих частот ограничен до 1 Мгц, недостаточна стабильность емкости.

Лучшими характеристиками обладают пленочные конденсаторы, имеющие конструкцию, аналогичную бумажным, но в которых в качестве рабочего диэлектрика используются синтетические высокомолекулярные пленочные материалы. Толщина таких пленок порядка единиц микрон. В совокупности с высокой электрической прочностью они позволяют, несмотря на сравнительно низкие значения диэлектрической проницаемости (2-10) достигать относительно высоких значений удельной емкости и удельной энергии конденсатора.

Бумага и синтетические пленки полярных материалов (полиэтилентерефталат, поликарбонат) имеют сравнительно большие величины тангенса угла диэлектрических потерь (табл.1), что ограничивает частотный диапазон конденсаторов. Конденсаторы на основе этих диэлектриков предназначаются в основном для включения в цепи постоянного тока и низкой частоты. Значительный интерес здесь представляют синтетические пленки поливинилиденфторида (ПВДФ), обладающего существенно большей, по сравнению с другими материалами, диэлектрической проницаемостью (e = 10 - 12) и электрической прочностью 600 - 800 кВ/мм. К недостаткам ПВДФ, с точки зрения конденсаторного применения, следует отнести значительный тангенс угла диэлектрических потерь (~1,5 × 10^-2) и низкую нагревостойкость (Т _max = +60 °С) этих пленок (табл.3.1).

У конденсаторов на основе пленочных неполярных диэлектриков (полистирол, политетрафторэтилен, полипропилен), благодаря малой величине угла потерь, существенно более широкий диапазон рабочих частот, так что они могут использоваться в цепях высокой частоты.

Таблица 2.1

Дата добавления: 2015-05-09