XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Конденсаторы, резисторы, трансформаторы, индуктивности и прочие изделия образуют большую группу пассивных элементов, основная задача которых – выполнение простейших операций (накопление заряда, сопротивление протекающему току, концентрация электромагнитной энергии и т.п.). В связи с бурным развитием электроники потребность в пассивных элементах возрастает. Большой интерес представляют конденсаторы, о которых и пойдёт речь в этой статье.

Курс на микроминиатюризацию, снижение массы и габаритов, повышение стойкости к внешним факторам, рост надёжности предъявляет повышенные требования и к пассивным элементам, в частности – к конденсаторам. В последние годы разработаны новые конденсаторы с улучшенными электрическими эксплуатационными характеристиками, приспособленные для монтажа на печатных платах [1].

В начале истории конденсаторов они использовались в основном для получения первых представлений об электричестве, ещё даже до того, как были открыты электроны. Это было время для публичных демонстраций достижений науки, например, в виде держащихся за руки людей, через которых пропускали ток конденсатора. Современная эра развития конденсаторов начинается в конце 18-го века, когда началось практическое применение электричества, потребовавшее изготовления конденсаторов с определёнными свойствами [2].

Современные тенденции в развитии технологий изготовления конденсаторов

Конденсатор – изделие, обладающее сложным комплексом потребительских параметров. Изготовить универсальный идеальный конденсатор невозможно. Но это не мешает создавать и применять конденсаторы, близкие к идеалу для различных специальных применений. Вот почему особенности проектирования, выбора и применения конденсаторов представляют большой интерес.

Конструктивно конденсатор состоит из двух или более электродов (обкладок), разделённых слоем диэлектрика.

Конденсаторы различаются:

по типу диэлектрической системы – на керамические, металлоплёночные, электролитические (алюминиевые и танталовые) и др.;

по форме электродов – на плоские, цилиндрические, сферические и др.;

по функциональному назначению – на помехоподавляющие (в том числе проходные), силовые (фильтровые, сглаживающие, снабберные, косинусные) и др.

Выбор конденсатора не определяется однозначно его ёмкостью и рабочим напряжением. В эквивалентную схему конденсатора, помимо полезной ёмкости, входят такие паразитные элементы, как активное сопротивление (потери в диэлектрике, сквозные токи утечки), определяемое тангенсом угла диэлектрических потерь на рабочей частоте; активная составляющая сопротивления обкладок и выводов; индуктивность обкладок и выводов.

Влияние этих паразитных элементов на работу электронного устройства может свести на нет все усилия разработчика, неправильно выбравшего конденсатор. Важнейшая задача при проектировании конденсаторов – разработка конструкции с минимальным значением паразитных параметров. Только конденсатор с малой индуктивностью обкладок сможет эффективно, без резонансных явлений, работать в заданной полосе частот и про пускать большой переменный ток [1].

Рассмотрим основные конкурентные преимущества и недостатки различных типов конденсаторов.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

В качестве положительного электрода используется алюминий. Диэлектрик представляет собой тонкий слой триоксида алюминия (Al₂O₃), характеризуются высоким соотношением емкости к размеру: электролитические конденсаторы (рис. 1) обычно имеют большие размеры, но конденсаторы другого типа, одинаковой емкости и напряжением пробоя были бы гораздо больше по размеру; а также высоким сопротивлением по постоянному току, долговечностью, работой при больших пульсациях тока и при температуре до 125°С [3].

Рис. 1. Пример алюминиевого электролитического конденсатора

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы (рис. 2) применяются практически во всех областях электроники. Особый интерес в настоящее время представляют чиповые керамические конденсаторы, особенно при современной микроминиатюризации.

Этот вид конденсаторов изготавливают в виде одной пластины или пачки пластин из специального керамического материала. Металлические электроды напыляют на пластины и соединяют с выводами конденсатора. Используемые керамические материалы могут иметь очень разные свойства. Характеризуется широким диапазоном значений относительной электрической проницаемости (до десятков тысяч). Столь высокое значение проницаемости позволяет производить керамические конденсаторы небольших размеров, емкость которых может конкурировать с емкостью электролитических конденсаторов, и при этом работающих с любой поляризацией и характеризующихся меньшими утечками. В виду малого размера корпуса — данный вид  конденсаторов имеет особую маркировку [5].

Рис. 2. Пример керамического конденсатора

Танталовые электролитические конденсаторы

Это вид электролитического конденсатора, в котором металлический электрод выполнен из тантала, а диэлектрический слой образован из пентаоксида тантала (Ta₂O₅). (рис. 2)

Свойства:

Высокая устойчивость к внешнему воздействию;

Компактный размер: для небольших (от нескольких сотен микрофарад), размер сопоставим или меньше, чем у алюминиевых конденсаторов с таким же максимальным напряжением пробоя;

Меньший ток утечки по сравнению с алюминиевыми конденсаторами [4].

Рис. 2. Пример танталовых электролитических конденсаторов

Заключение

В ходе работы были изучены литературные и электронные источники по данной теме, на основание которых были сделаны выводы:

Конденсаторы большой емкости применяются там, где необходимо быстро отдавать заряд: во вспышках, разрядниках, блоках питания. В радиоэлектронных устройствах используются резонансные и разделительные свойства конденсаторов средних и малых емкостей.

В зависимости от того, в какой цепи используют конденсаторы, к ним предъявляют и разные требования. Так, конденсатор, работающий в колебательном контуре, должен иметь малые потери на рабочей частоте, высокую стабильность емкости во времени и при изменении температуры, влажности, давления и т. д.

Потери в конденсаторах, определяемые в основном потерями в диэлектрике, возрастают при повышении температуры, влажности и частоты. Наименьшими потерями обладают конденсаторы с диэлектриком из высокочастотной керамики, со слюдяными и пленочными диэлектриками, наибольшими — конденсаторы с бумажным диэлектриком и из сегнетокерамики.

Список литературы

Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко, Ю. П. Ходоренок. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА// справочник - Мн.: Беларусь, 1994.- 591 с.: ил.

Хабр, История конденсаторов часть 2: современная эра. [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/post/369535/ (дата обращения: 10.12.2022).

Виды конденсаторов и их применение. [Электронный ресурс]. URL: https://www.joyta.ru/7933-vidy-kondensatorov-i-ix-primenenie/(дата обращения: 10.12.2022).

В. П. Берзан, М. Н. Гураевския, П. В. Ермуратския. О. Л. Мезенин. Н. Я. Назаров. Справочник по электрическим конденсаторам. Общие сведения, выбор и применение. [Электронный ресурс]. URL: https://electroinfo.net/wp-content/uploads/2019/11/spravochnik-kondensatory.pdf (дата обращения: 10.12.2022).

В.П.Фадин. Конденсаторы. Справочник. Том 1. НИИ Электростандарт, 1966, - 422 с.

Код для цитирования: Скопировать