ИОНИСТОРЫ 1 страница

Основные параметры органических конденсаторных диэлектриков

Рабочий диэлектрик	e при 1 кГц	rv, Ом×см	tgd при 1 кГц, 10^-4	Епр, кВ/мм	Тmax, °С	Тип конденсатора
Полистирол	2,5	10^20		150-300	60-70	К70ф, К71ф
Политетра- фторэтилен (фторопласт)	2,0	10^20		150-200		К72
Полипропилен	2,1	10^17		140-200	100-110	К78
Полиэтилен- терефталат (лавсан)	3,2	10^15		160-300		К73м, К74ф
Поликарбонат	3,0	10^15		180-250		К77
Конденса- торная бумага	2-6	10^15		120-160		К40,К41ф, К42м

в таблице обозначены: ф - фольговые обкладки,

м - металлизированные обкладки.

Совершенствование конденсаторов с органическим диэлектриком в соответствии с современными требованиями направлено на повышение их удельных характеристик и расширение функциональных возможностей.

Стратегические подходы здесь, как и вообще в конденсаторостроении, состоят в следующем:

- поиск и создание новых диэлектрических материалов, в том числе синтетических пленок меньшей толщины и повышенной температурной стабильности;

- создание многослойных (комбинированных) диэлектрических структур, состоящих из полярных, неполярных пленок и конденсаторной бумаги. Подбирая диэлектрические пленки разного типа при различном соотношении их толщин и реализуя конструктивно определенные схемы включения слоев, можно создавать пленочные конденсаторы с различными и широко меняющимися значениями ТКЕ, в том числе и температурно-стабильные конденсаторы.

Улучшение удельных характеристик конденсаторов при использовании комбинированного диэлектрика обусловлено тем, что дефектные участки одного слоя перекрываются другими бездефектными слоями диэлектрика, что позволяет обеспечить более высокие значения рабочего напряжения.

- создание композиционных материалов с повышенной диэлектрической проницаемостью, например, полимер-сегнетокерамика;

- усовершенствование базовой конструкции.

Изделия этого типа занимают особое место среди конденсаторов, поскольку их емкость реализуется без участия диэлектрика. В основе принципа действия ионисторов - формирование на границе двух фаз двойного электрического слоя (ДЭС) - тонкого (молекулярной толщины) слоя, сформированного двумя пространственно разделенными слоями электрических зарядов разного знака. По этой причине изделия данного типа охватывают диапазон емкостей до 100 Ф.

Существующие типы ионисторов часто называют конденсаторами с двойным электрическим слоем.

В качестве примера рассмотрим возникновение ДЭС на границе раздела металл - электролит. Выход из металла при определенных условиях некоторой части электронов приводит к его положительному заряжению и, как следствие, притяжению к поверхности металла подвижных отрицательно заряженных ионов из электролита. При высокой концентрации ионов в растворе электролита (~10²² см^-3) поле заряда металла экранируется в электролите на расстояниях порядка единиц ангстрем. Возникающее между разноименно заряженными слоями электрическое поле препятствует выходу электронов из металла и при наступлении динамического равновесия на границе металл - электролит возникает скачок потенциала, составляющий доли Вольта.

В зависимости от рабочего материала электролита существующие ионисторы можно классифицировать следующим образом:

- ионисторы на основе водных растворов кислот и щелочей (так называемые суперконденсаторы);

- ионисторы на основе апротонных электролитов;

- ионисторы на основе твердого электролита.

В ионисторах первого типа (например, на основе 38 %-го водного раствора H₂SO₄) емкость создается двумя ДЭС на границах раздела электролита с симметричными электродами с электронной проводимостью. Последние обладают высокоразвитой поверхностью, что дает соответствующий выигрыш в емкости.

Ионисторы этого типа представляют собой по существу два последовательно включенных конденсатора с ДЭС и различным ионным составом обкладок, расположенных в электролите, и являются неполярными.

К недостаткам ионисторов данного типа следует отнести ограничение рабочего напряжения значением 1 В (напряжение разложения воды ~1,2 В) и жесткие требования к кислотостойкости конструкционных и электродных материалов.

В ионисторах второго типа используются апротонные электролиты, которые позволяют добиться повышения рабочего напряжения до 2 - 2,5 В. Это обусловлено более высоким напряжением их разложения.

Однако, ионисторы этого типа обладают более высоким последовательным сопротивлением, что понижает их быстродействие при использовании в качестве энергонакопительных импульсных конденсаторов в режиме зарядки-разрядки.

В ионисторах третьего типа рабочим электролитом являются твердые электролиты – ионные суперпроводники – вещества, обладающие в твердом состоянии высокой ионной проводимостью, сравнимой с проводимостью жидких электролитов.

На рис.2.12 представлена схема ионистора на основе ионного суперпроводника RbAg₄J₅, обладающего ионной проводимостью ~0,25 Ом^-1см^-1 при Т=300 К, обусловленной переносом ионов Ag⁺. Принцип действия такого ионистора в упрощенном виде представляется следующим образом. При приложении к ионистору напряжения полярности, соответствующей отрицательному потенциалу на серебряном электроде, ионы Ag⁺ из твердого электролита разряжаются на катоде (Ag⁺ + e ®Ag) и оседают на нем. В результате ухода положительно заряженных ионов Ag⁺ обнажается отрицательно заряженный жесткий остов твердого электролита, состоящий из ионов J^-. На границе раздела твердого электролита с графитовым анодом, являющимся блокирующим электродом (электродная реакция на нем полностью заторможена) образуется ДЭС и, как следствие, формируется высокая емкость. Последняя увеличивается также за счет развития поверхности графитового электрода, изготавливаемого из порошка.

Разрядка ионистора сопровождается обратным процессом - растворением серебра в электролите (Ag®Ag⁺ + e) и, соответственно, уменьшением заряда на обкладках ДЭС.

Ионисторы данного типа обладают рядом полезных качеств: высокими величинами номинальной емкости и накапливаемого заряда, малыми токами утечки. 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.

Рис.2.12. Схема полярного ионистора на основе ионного суперпроводника RbAg₄J₅:

1 - поляризуемый угольный анод, 2 - неполяризуемый серебряный катод, 3 - твердый электролит

Сочетание этих свойств открывает возможность использования ионисторов как энергонакопительных конденсаторов - резервных источников питания. Однако, твердотельные ионисторы остаются низковольтными приборами, что обусловлено низким напряжением разложения твердого электролита (при напряжении ~0,67 В происходит выделение на угольном электроде свободного иода). С целью повышения рабочего напряжения создаются батареи последовательно соединенных ионисторов, что приводит, разумеется, к потере в суммарной емкости, по сравнению с единичным элементом.

Дальнейший прогресс в области твердотельных ионисторов связан с успехами в создании новых твердых электролитов, обладающих высоким потенциалом разложения и не содержащих дорогих и дефицитных металлов.

В заключение отметим, что развивающейся низковольтной радиоэлектронике необходимы как сверхвысокоемкие ионисторы (источники тока порядка 10¹ - 10³ А), так и сравнительно низкоемкие ионисторы, способные заменить при низких напряжениях оксидные конденсаторы, где последние обнаруживают нестабильность параметров. Развитие этого направления конденсаторостроения требует создания новых материалов и технологий.

2.4. КОНДЕНСАТОРЫ ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТИ

Конденсаторы переменной емкости (КПЕ) подразделяются на конденсаторы с механическим управлением и электрическим управлением (вариконды, варикапы).

Конденсаторы с механическим управлением состоят из двух систем параллельных пластин, одна из которых (ротор) может плавно перемещаться к другой (статор). При этом пластины ротора входят в зазоры между пластинами статора, что изменяет эффективную площадь, а, следовательно, емкость конденсатора.

Наибольшее распространение получили КПЕ с плоскопараллельными пластинами, вращательным перемещением ротора и воздушным диэлектриком. Они отличаются большой точностью установки емкости, малыми потерями и высокой стабильностью.

КПЕ с твердым диэлектриком имеют меньшие размеры, но обладают меньшей точностью установки емкости и худшей стабильностью. Они применяются только в малогабаритных транзисторных приемниках.

Основное применение КПЕ находят в качестве элемента настройки колебательных контуров. Поэтому для них важен закон изменения емкости при настройке.

Широкое применение имеют блоки КПЕ, которые состоят из нескольких (двух-трех) конденсаторных секций, размещенных на одной оси.

Конденсаторы переменной емкости с электрическим управлением (вариконды) – особая группа керамических конденсаторов, диэлектриком которых служит сегнетокерамика, отличающаяся резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от приложенного напряжения, так что при изменении напряжения на несколько вольт, емкость может изменяться в 3-5 раз.

Вариконды – нелинейные элементы электрических цепей, на их основе могут быть созданы диэлектрические усилители, умножители частоты, генераторы сигнала. Они охватывают диапазон емкостей от 10 пФ до 1 мкФ и изменение емкости в 2-20 раз.

К КПЕ примыкают подстроечные конденсаторы.

К подстроечным конденсаторам предъявляются требования, аналогичные требованиям к КПЕ, но для них менее важны требования по точности и закону изменения емкости, а более существенны плавность установки емкости и надежность ее фиксации.

По конструктивным признакам подстроечные конденсаторы делятся на:

- конденсаторы с вращающимся ротором;

- с поступательным перемещением ротора;

- плоские

- дисковые.

По применяемому диэлектрику:

- воздушные;

- с твердым диэлектриком, как правило, керамическим.

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы влияют на емкость конденсатора?

2. Какие факторы влияют на напряжение пробоя конденсаторного диэлектрика?

3. Какие требования следует предъявлять к диэлектрическим материалам, применяемым в высокочастных конденсаторах? Какие из перечисленных материалов могут использоваться в высокочастных конденсаторах: кварцевое стекло, полтетрафторэтилен, поливиниленденфторид, слюда, титанат бария?

4. Исходя из основного назначения конденсатора – накапливать электрический заряд – проанализировать физический смысл зависимости емкости от конструктивных параметров – площади обкладок, толщины диэлектрика и диэлектрической проницаемости материала.

5. Привести параллельную и последовательную эквивалентные схемы замещения конденсатора и построить соответствующие им векторные диаграммы, показывающие сдвиг по фазе между электрическим напряжением и током при подаче на конденсатор, обладающий потерями, переменного напряжения.

6. Почему для создания керамических диэлектриков конденсаторов 1 и 2 типов недостаточно индивидуальных соединений?

7. Схематично изобразить температурную зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического материала и показать возможности ее температурной стабилизации.

8. Изобразить (качественно) температурную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь сегнетокерамического конденсатора.

9. Каковы пути достижения рекордно высоких значений удельных емкости и заряда оксидных конденсаторов?

10. Чем обусловлен выбор базовых металлов для изготовления оксидных конденсаторов?

11. Определить к каким изменениям свойств оксидных конденсаторов могут привести а) увеличение толщины оксидного диэлектрика; б)повышение удельного сопротивления оксидного диэлектрика; в) уменьшение удельного сопротивления катодного материала (проводящего вещества анода).

12. Указать пути улучшения эксплуатационных свойств оксидных конденсаторов.

13. Что понимают под полярными и неполярными диэлектриками? Какие из них используются на высоких частотах?

14. Какими преимуществами, по сравнению с бумагой, обладают пленочные материалы?

15. Каковы пути создания высоковольтных конденсаторов с органическим диэлектриком?

16. Чем объясняется сверхвысокая емкость ионисторов?

17. Какие процессы в электролите (твердом, жидком) приводят к образованию двойного электрического слоя?

18. Какова область применения ионисторов?

3. РЕЗИСТОРЫ

3.1.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИСТОРОВ

Резистор - элемент, основное функциональное назначение которого обеспечивать определенное соотношение между током и приложенным напряжением, что позволяет регулировать уровень разнообразных электрических сигналов, поступающих на различные участки в схемах.

Основными элементами конструкции любого резистора являются: резистивный материал (токонесущая часть), основание и контактные узлы, обеспечивающие надежный электрический контакт с резистивным элементом и возможность монтажа резистора в аппаратуру.

Учитывая закон Ома, из определения резистора следует, что важнейшей его характеристикой является сопротивление R

,

где U – приложенное к резистору напряжение, I - протекающий ток.

Отметим, что до 1962 года термин «резистор» в нашей стране не употреблялся и соответствующий элемент называли просто сопротивлением. Это приводило к неоднозначности понятия сопротивления, поскольку последнее имеет значение физической величины, причем может не только активным, но и реактивным, присущим емкостным и индуктивным элементам на переменном токе, а также нулевым и отрицательным.

Резистор обладает исключительно активным положительным по величине сопротивлением, которое проявляется при протекании любого тока (постоянного или переменного) при переходе части электрической энергии в тепловую. Это позволяет регулировать и распределять электрическую энергию между узлами, цепями и элементами электрических схем.

Основными электрическими параметрами постоянных резисторов являются:

1. номинальное сопротивление R – сопротивление, на которое рассчитан резистор и которое указывается на корпусе резистора.

Сопротивление резистора определяется удельным сопротивлением резистивного материала r и геометрией токонесущей части (конструкцией изделия) ,

где - протяженность пути прохождения тока от одного контактного узла к другому;

S – площадь поперечного сечения токонесущей части.

Сопротивление резисторов цилиндрической формы с пленочным резистивным элементом толщиной b < D определяется формулой

Отношение называют коэффициентом формы и обозначают через к. Как правило, значение к выбирается близкой к единице (0,6-1,5), что отвечает необходимым эксплуатационным характеристикам изделий.

Поскольку величина удельного сопротивления резистивных пленок зависит не только от используемого материала, но и от толщины слоя, на практике часто пользуются понятием сопротивления квадрата пленки R_КВ

R_КВ= (Ом)

При этом полное сопротивление резистора можно определить по формуле R = К× R_КВ

2. Допуск на величину сопротивления, приводимая в технической документации на изделие. Он часто указывается вместе с номинальным сопротивлением на поверхности резистора в его маркировке.

3. Номинальная мощность Р_ном – максимально допустимая мощность, которую резистор может рассеивать в виде тепла в заданных условиях при непрерывной работе в течение всего гарантированного срока службы сохраняя свои параметры в указанных пределах. Зависит от термостабильности резистивного материала, а также от условий отвода тепла, определяемых конструкцией резистора и узла аппаратуры, куда он монтируется и режима эксплуатации.

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС), характеризует обратимое изменение сопротивления вследствие изменения температуры окружающей среды или изменения электрической нагрузки, приводящие к изменению температуры резистора.

По определению

Среднее значение ТКС резистора в заданном интервале температур обычно определяют по формуле ,

где R - сопротивление резистора при определенной температуре;

ΔR – изменение сопротивления при изменении температуры на ΔТ;

ΔТ – интервал температур, в котором определяется ТКС.

5. Номинальное напряжение (предельное) – максимальное значение напряжения, приложенного к резистору, при котором он в течение срока службы сохраняет свои параметры в заданных пределах

Для создания резисторов, удовлетворяющих требованиям современного электронного приборостроения, необходимы резистивные материалы, обладающие удельным сопротивлением от 10^-3 до 10⁷ Ом∙см. По этому параметру резистивные материалы относятся к классу полупроводников. Однако в отличие от последних они должны обладать малыми изменениями сопротивления при воздействии таких факторов, как температура, что необходимо для достижения малых значений ТКС, а также напряженность электрического поля и освещенность, так что использование материалов полупроводниковой электроники в качестве резистивных исключено.

Резистивные материалы должны обладать низким уровнем токовых шумов, долговременной стабильностью свойств в различных и широко меняющихся внешних условиях, в том числе при экстремальных условиях эксплуатации.

При этом, предлагая тот или иной резистивный материал на основе физических и физико-химических подходов, необходимо чтобы он был технологичен и отвечал требованиям производственного технологического процесса.

3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЗИСТОРОВ

Прежде всего резисторы разделяют на постоянные (нерегулируемые) и переменные (регулируемые), сопротивление которых меняется перемещением подвижного контакта. На рис.3.1 представлены принятые обозначения в электрических схемах. Переменные резисторы включаются в схему двумя способами: потенциометрическим и реостатным.

Рис.3.1. Условные графические обозначения резисторов: а - постоянный резистор, б - переменный резистор (потенциометр)

Постоянные резисторы, в зависимости от конструктивного исполнения токонесущей части, разделяются на проволочные и непроволочные.

Обязательными составными частями любого нерегулируемого резистора являются основание, на которое наносится слой резистивного материала (резист) или наматывается проволока, а также два электрических вывода, при помощи которых резистор подключается к схеме. Постоянные резисторы бывают незащищенные, покрытые огнестойкой краской, лакированные, опрессованные пластмассой, покрытые эмалью, керамикой, помещенные в стеклянный вакуумный или газонаполненный баллон.

Внешний вид постоянных проволочных и непроволочных резисторов различной формы показан на рис.3.2

а

б

Рис.3.2. Основные типы корпусов постоянных непроволочных (а) и проволочных резисторов (б)

Переменные резисторы разделяют на регулировочные, предназначенные для многократных оперативных регулировок, и установочные (подстроечные), предназначенные для периодической подстройки аппаратуры.

Конструкции изделий этого класса предусматривают возможность плавного или ступенчатого изменения значения сопротивления. Для этих целей используются потенциометры, принципиальная схема которых представлена на рис.3.3.

Рис.3.3. Принципиальная схема устройства переменного резистора

Один из контактов регулировочного резистора выполняется подвижным, так что его перемещение по поверхности токонесущей части позволяет изменять сопротивление резистора. Переменные резисторы по конструкции разделяют на одно- и многоэлементные, с круговым и прямолинейным перемещением подвижного контакта. Основные типы корпусов переменных резисторов показаны на рис.3.4.

В качестве установочных резисторов, предназначенных для установления точных значений питающих напряжений на электродах активных радиокомпонентов и необходимых уровней полезных сигналов в электрических схемах, используются как потенциометры, конструктивно выполненные как регулировочные, так и резисторы, предназначенные для печатного монтажа.

Дата добавления: 2015-05-09