Пленочный конденсатор

Содержание

1 Введение…………………………………………………………………………… 3

2 Типы конденсаторов, область применения…………………………………… ..4

2.1 Основные характеристики конденсаторов…………………………………….5

3 Влияние внешних факторов на электрические свойства конденсаторов……...9

3.1 Влияние излучений на работу конденсатора…………………………………..9

3.2 Механические воздействия…………………………………………………….11

3.3 Методы защиты от действия влажности……………………………………...12

3.3.1 Влагозащита с применением органических диэлектриков………………12

3.3.2 Влагозащита с применением неорганической изоляции и металла……14

4 Пленочные конденсаторы……………………………………………………….17

4.1 Конструкции пленочных конденсаторов……………………………………..17

4.2 Материалы обкладок…………………………………………………………...18

4.2.1 Обкладки из фольги………………………………………………………….19

4.2.2 Металлизация диэлектрика…………………………………………………22

4.3 Синтетические пленки, применяемые в конденсаторостроении……………24

5 Расчет пленочного  конденсатора……………………………………………….32

6 Заключение………………………………………………………………………..38

Список используемой литературы………………………………………………...39

1 Введение

     Конденсаторы являются одним из наиболее массовых радиоэлементов. Их область применения в различных устройствах весьма разнообразна: это температурная компенсация параметров схем, задержка импульсов, фильтрация и блокировка переменных токов, создание мощных импульсов тока, связь между отдельными каскадами и многое другое. Конденсаторы являются также неотъемлемой часть колебательного контура. В связи с таким широким схемным применением потребность в конденсаторах все увеличивается.

Ранее электрическим конденсатором  называли систему из двух или более  проводников (обкладки), разделенных  диэлектриком и предназначенной  для использования её электрической  емкости. Говоря о конденсаторах  сейчас надо иметь в виду, что  в качестве обкладок могут быть не только металл или электролит, а  также и полупроводник, а запорный слой на границе p-n перехода может служить диэлектриком.

В данной курсовой работе особое внимание уделяется пленочным конденсаторам.  В таких конденсаторах в качестве диэлектрика используются материалы, состоящие из длинных полимерных молекул, позволяющих изготовлять  тонкие пленки в рулонной форме, используя  для этого  различные технологические  приемы. Из таких пленок  можно  изготовлять конденсаторы, подобные бумажным по конструкции, но отличающиеся улучшенными электрическими свойствами или повышенной нагревостойкостью.  Эти конденсаторы применяются как в низкочастотных, так и в высокочастотных цепях, в качестве конденсаторов связи, блокировочных и разделительных. В этой работе будут подробно рассмотрены особенности конструктивного исполнения данного типа конденсаторов, выбор диэлектрических материалов, также материалов обкладок, способы защиты и область применения. Также по заданным параметрам будет произведен полный расчет пленочного конденсатора.

2 Типы конденсаторов, область применения

     В конденсаторостроении применяется большое количество диэлектриков с различными механизмами поляризации, диэлектрическая проницаемость которых имеет значения от единицы до десятков тысяч. Диэлектриком в пленочных конденсаторах служат высокомолекулярные вещества: синтетические пленки, которые представляют собой твердые органические соединения. Пленочные конденсаторы можно разделить на два типа:

1. Конденсаторы с диэлектриком из неполярных синтетических пленок (полистирольные, полипропиленовые, фторопластовые и т.д.);
2. Конденсаторы с диэлектриком из полярных синтетических пленок (лавсановые, поликарбонатные и т.д.).

При заданном типе диэлектрика  конденсаторы можно классифицировать дополнительно по тому режиму работы, для которого предназначается данный конденсатор. Различают следующие  основные режимы работы:

1. При постоянном или выпрямленном напряжении.
2. При переменном напряжении технической частоты, 50 Гц.
3. При звуковых частотах, 100-10000 Гц.
4. При радиочастотах, 0,1-100 МГц.
5. При импульсных режимах (при единичных импульсах или при повторяющихся импульсах постоянной или переменной полярности).

В каждом из этих случаев  различают конденсаторы низкого  и высокого напряжения (низковольтные  и высоковольтные). При переменном напряжении различают конденсаторы большой и малой мощности.  Также можно разделить конденсаторы по функциональному назначению –  на помехоподавляющие (в том числе  проходные), силовые (фильтровые, сглаживающие, снабберные, косинусные) и др.

Область применения пленочных  конденсаторов весьма обширна. Пленочные конденсаторы применяются как  в низкочастотных, так и в высокочастотных цепях, в качестве конденсаторов связи, блокировочных и разделительных. Также пленочные конденсаторы применяются в измерительной технике и в счетно-решающих устройствах.

Внешний вид некоторых  типов пленочных конденсаторов представлен на рисунке 2.1.

Рис 2.1 - Пленочные конденсаторы.

2.1 Основные параметры  конденсаторов

     Номинальная емкость и допускаемые отклонения. Емкость,  маркированная на конденсаторе, указывает её номинальную величину.  Конденсаторы из неполярных пленок выпускаются на номинальные емкости от 100 пФ до 100 мкФ (низковольтные), от 120 пФ до 0,1 мкФ (высоковольтные); из полярных пленок выпускаются с диапазоном емкостей от 1000 пФ до 15 мкФ (низковольтные), от 5100 пФ до 4 мкФ (высоковольтные).

Сопротивление изоляции конденсатора. Сопротивление изоляции конденсатора - сопротивление, оказываемое конденсатором прохождению постоянного тока. Сопротивление изоляции конденсаторов большой емкости определяется в основном током утечки через толщу диэлектрика, а потому зависит от удельного объемного сопротивления диэлектрика ,  от площади обкладки S и от толщины диэлектрика d:

где – в Мом, – в омсм, d – в см и S – в

Для конденсаторов малой  емкости сопротивление изоляции обусловлено не только объемным сопротивлением диэлектрика , но и поверхностным сопротивлением , определяемым утечкой по закраинам конденсаторных секций, по поверхностям выводных изоляторов и т. п.:

     Электрическая прочность. Электрическая прочность характеризуется величиной пробивной напряженности , представляющее собой отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика d:

Различают кратковременную  и длительную электрические прочности. Для оценки электрической прочности конденсаторов применяют следующие значения напряжения:

     Номинальное напряжение конденсатора   - максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать в заданном диапазоне температур в течение гарантированного срока службы. При работе конденсатора под более высоким напряжением понижается надежность и сокращается срок службы.

Испытательное напряжение – максимальное напряжение, при котором конденсатор может находиться, не пробиваясь, небольшой промежуток времени – от нескольких секунд до нескольких минут. Это напряжение характеризует электрическую прочность конденсатора при кратковременных нагрузках.

     Пробивное напряжение –  минимальное напряжение, при котором конденсатор пробивается. Оно всегда выше испытательного. Очевидно, что чем больше пробивное напряжение конденсатора, тем выше его надежность.

Тангенс угла потерь. Потери конденсатора оцениваются тангенсом угла потерь . У конденсаторов с диэлектриком из неполярных пленок тангенс угла потерь практически не зависит от частоты, но для полярных пленок, в соответствии с природой их поляризации, угол потерь резко возрастает с частотой, проходя через максимум при некотором её значении (рисунок 2.1.1)

Рис 2.1.1 - Зависимость угла потерь синтетических пленок от частоты при . 1 –           неполярная пленка; 2-5 – полярные пленки (2 – ПК, 3 – ПЭТФ, 4 – каптан, 5 -5 ТАЦ)

     Конденсаторы, предназначаемые к применению к применению в цепях высокой частоты, кроме того, характеризуются предельно допустимой реактивной мощностью, температурным коэффициентом емкости, и собственной индуктивностью.

Температурная зависимость  емкости конденсаторов характеризуется  величиной температурного коэффициента емкости (ТКЕ):

     Характер зависимости емкости конденсатора от температуры определяется характером температурной зависимости ε диэлектрика, разделяющей обкладки,  т. е. величиной и знаком температурного коэффициента . Кроме того, зависимость емкости от температуры может быть обусловлена также особенностями конструкции конденсатора и изменениями его размеров при нагревании. Температурное расширение обкладок приводит к увеличению емкости, а увеличение толщины диэлектрика – к уменьшению емкости. Таким образом,  ТКЕ можно вычислить по формуле:

где – температурные коэффициенты изменения диэлектрической проницаемости, активной площади и толщины диэлектрика.

      Индуктивность конденсаторов и полное сопротивление. Под  полным сопротивлением конденсатора понимают сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определённой частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с ёмкостью также активного сопротивления и индуктивности:

где z и r – в Ом, L – в Гн, и C – в Ф.

Предельная реактивная мощность. Реактивная мощность конденсатора определяется по формуле:

При наличии на конденсаторах  достаточно большого переменного напряжения высокой частоты необходимо принимать  во внимание реактивную мощность для  избегания перегрева и выхода их из строя.

  3 Влияние внешних факторов на электрические свойства конденсаторов

3.1 Влияние излучений на работу конденсаторов

     Новым требованием к качеству конденсаторов в связи с их применением в устройствах атомной энергетики и космической электроники является требование об устойчивости в условиях воздействия различного рода излучений. Обычно рассматривается вопрос о воздействии на конденсаторы гамма-излучения (электромагнитные колебания с частотой Гц) или потока нейтронов (тепловых, или медленных, с энергией порядка 0,025 эВ, а также быстрых, с энергией порядка 1 МэВ).  В космосе можно также встретиться с потоком протонов.

При воздействии различного рода излучений  приходится, прежде всего, сталкиваться с изменением проводимости диэлектрика, возрастающей за счет появления в  диэлектрике свободных электронов. На рисунке 3.1.1 показано изменение проводимости, вызванное воздействием дозы гамма-излучения в виде прямоугольного импульса.

Рис 3.1.1 Изменение проводимости диэлектрика во времени при воздействии прямоугольного импульса гамма-излучения

     На участке графика Б наведенная проводимость достигает установившегося значения, величина которого при постоянстве температуры определяется следующим выражением:

где - эмпирические постоянные.

     В таблице 3.1.1 приведены значения этих постоянных для некоторых неполярных и полярных материалов:

Таблица 3.1.1 – Значения постоянных для некоторых материалов

     Зависимость наведенной проводимости от интенсивности комбинированного импульсного облучения гамма-излучения и потоком нейтронов характеризуется формулой:

где , как показывает опыт, больше чем .

Эффективность воздействия  облучения нейтронами (на единицу  дозы – рад/сек) по сравнению с  гамма-лучами, в отношении наведенной проводимости для полистирольных конденсаторов  составляет – 0,23 от эффективности гамма-лучей. Некоторые значения коэффициентов  и для различных конденсаторов приведены в таблице 3.1.2 (измерения проводились при температуре 25).

Таблица 3.1.2 – Значения коэффициентов  и для некоторых конденсаторов

     Приведенные здесь данные показывают, что приращение проводимости, вызванное излучением, происходит примерно пропорционально интенсивности излучения. В этих условиях наилучшим оказался материал майлар, как при металлизированных, так и при фольговых обкладках. Значения дозы облучения, достаточной для полного разрушения диэлектриков составляют: для полистирола – 1,6, для лавсана -  8,0. Также при воздействии облучения на конденсаторы надо учитывать, что помимо изменения проводимости диэлектрика, может сказываться нагрев конденсатора за счет поглощения энергии излучения. Этот нагрев может увеличить потери и изменить емкость, а также привести к дополнительному увеличению проводимости диэлектрика. Наименьшее нагревание происходит для металлов с наименьшей плотностью, в частности, для алюминия, который и выбирают для изготовления обкладок конденсаторов с повышенной устойчивостью к излучениям.

3.2 Механические воздействия

В условиях транспортировки, монтажа в аппаратуре и эксплуатации конденсаторы могут подвергаться различным  механическим воздействиям. Наиболее опасным последствием при таких воздействиях является возможность появления «обрыва» за счет поломки проволочного вывода снаружи или внутри конденсатора или нарушения целостности контактного узла между выводом и обкладкой. Механические воздействия могут также приводить к нарушению герметичности конструкции, прежде всего в местах крепления проходных изоляторов, к растрескиванию заливочного компаунда или опрессовочной пластмассы и т.п.

3.3 Влияние влажности на электрические свойства конденсаторов и методы защиты от действия влажности

     Поглощение влаги диэлектриком конденсатора, если диэлектрик гигроскопичен, приводит к некоторому возрастанию емкости, проводимости и тангенсу угла диэлектрических потерь (особенно в области повышенных температур), и снижается его электрическая прочность за счет облегчения возможности развития в нем теплового пробоя. Также поглощение влаги способствует развитию в диэлектрике электрохимических явлений, обуславливающих старение диэлектрика. 

Средства защиты конденсаторных секций от влаги можно разделить  на две группы:

1. Влагозащита с применением органических диэлектриков (уплотненные конструкции конденсатора).
2. Влагозащита с применением неорганических диэлектриков и металла (герметизация конструкции конденсатора).

3.3.1 Влагозащита с применением органических диэлектриков

В современном конденсаторостроении существует достаточно много способов влагозащиты с применением органических диэлектриков:

а) Пропитка – заполнение пор в диэлектрике и зазоров между слоями диэлектрика и обкладками, какой либо влагостойкой пропиточной массой. Пропитка обеспечивает только временную защиту конденсатора от влаги, лишь задерживая проникновение влаги в конденсатор на относительно небольшой срок, но не исключая возможности этого проникновения с течением времени. Дополнительное средство влагозащиты пропиточной конденсаторной секции – покрытие её слоем изоляционного лака. 

     б) Заливка влагоупорным компаундом пропитанных конденсаторных секций, помещаемых в металлический или изоляционный корпус, открытый с одного или двух  торцов. В современном конденсаторостроении используют для заливки секции компаунды на основе эпоксидных смол.

в) Опрессовка пластмассой. Некоторые зарубежные фирмы применяют для опрессовки пленочных конденсаторов термопластичную массу – полипропилен.

г) Метод облицовки влагозащитным компаундом («окукливание»). Используют облицовочные компаунды на основе эпоксидных смол и полиэфиров.

На рисунке 3.3.1.1 представлены уплотненные конструкции конденсаторов.

Рисунок 3.3.1.1 - Уплотненные конструкции с применением органических влагозащитных веществ: а) -  металлический открытый корпус, изоляционная крышка, заливка; б) – открытый пластмассовый корпус; в) – изоляционная трубка, заливка; г) – металлическая трубка, заливка, изоляционные шайбы; д) – опрессовка пластмассой; е) – окукливание компаундом.

Недостатком применения органических материалов для целей влагозащиты  является присущая материалам влагопроницаемость. Даже когда не нарушена сплошность влагозащитного слоя (отсутствуют трещины  или иные повреждения), органический материал все равно будет постепенно пропускать через себя влагу.

3.3.2 Влагозащита с применением неорганической изоляции и металла (Герметизированные конструкции)

Широкое распространение получили герметизированные конструкции, представляющие собой сочетание металла с  керамикой или стеклом, с применением  швов, соединяемых пайкой мягкими  припоями; эта система влагозащиты  называется вакуумплотной герметизацией (рисунок 3.3.2.1).

Рисунок 3.3.2.1 - Вакуумплотная герметизация: а) – керамический изолятор, впаянный в крышку; б) – стеклянный изолятор, впаянный в крышку; в) – стеклянный изолятор, впаянный в крышку; г) – керамический дисковой изолятор, впаянный в металлическую трубку; д) – металлический колпачок, припаянный к керамической трубке и закрывающий её с торца; е) – керамическая крышка, припаянная к керамическому корпусу; выводы пропущены через отверстия к крышке и впаяны в нее.

     Стеклянные изоляторы, представляющие собой металлическую трубочку и шайбу, заваренные в стекло имеют некоторые недостатки, по сравнению с керамическими изоляторами, хотя являются более дешевыми и удобными технологически:

1. заметно увеличивают индуктивность конденсатора;

2. по поверхности стекла увеличенная утечка, особенно при повышенной влажности, это видно из рисунка 3.3.2.2.

        Обычно  для конденсаторов большой емкости  применяются металлические корпуса  с припаянными к ним крышками, в которые впаиваются керамические или стеклянные проходные изоляторы (рисунок 3.3.2.1- а, б). Для конденсаторов малой емкости применяют металлические трубки, в качестве корпусов, торцы которых закрываются крышками, с впаянными в них изоляторами (рис в, г). В последнее время в качестве изоляторов для конденсаторов малой емкости применяют изоляторы из прессованного стекла. Реже встречаются конструкции, изображенные на рисунке 3.3.2.1- д, е.

Рисунок 3.3.2.2 - Зависимость сопротивления изоляции керамических изоляторов (1) и стеклянных (2) от времени выдержки в условиях влажности 98%

     При использовании герметизированных конструкций применяют заливку конденсаторных секций в корпусе твердыми или жидкими массами. При изготовлении выводного изолятора для высокотемпературных конструкций (например, для фторопластового конденсатора) применяют в основном керамику. Для небольших цилиндрических конденсаторов используют также корпуса в виде керамических трубок, которые переходным слоем стекла соединяются с коваровым кольцом; к концу приваривается стальная крышка (рисунок 3.3.2.3).

Рисунок 3.3.2.3 - Корпус для небольшого цилиндрического конденсатора. 1 – стекло, 2 – керамика.

4 Пленочные конденсаторы

4.1 Конструкции пленочного конденсатора

     Конденсаторы с органическим диэлектриком, независимо от используемого вида обкладок и диэлектрика имеют общую основу конструкции – конденсаторную секцию в виде смотанных в спираль двух или более металлических лент обкладок с приложенными между ними одной или несколькими лентами диэлектрика.

Секции пленочных конденсаторов  могут быть цилиндрическими и плоскопрессованными (рисунок 4.1.1).

Рисунок 4.1.1 - Секции пленочных конденсаторов. а) – цилиндрическая; б) – плоскопрессованная.

Цилиндрические конструкции  используют для изготовления односекционных конденсаторов небольшой емкости  и небольшого напряжения, а также  проходных конденсаторов.

Взаимное расположение обкладок и лент пленки может быть различным. Наиболее распространенными видами обмотки являются: обычная (со скрытой  фольгой); безындукционная (с выступающей  фольгой); проходная. На рисунке представлены виды намоток.

Рисунок 4.1.2 - Различные типы намоток спиральных конденсаторов: а) – намотка со скрытой фольгой (обычная); б) - намотка с выступающей фольгой; в) – намотка с обкладками разной ширины (проходная); – ширина закраины; – ширина выступающего края фольги; – активная ширина фольги; – полная ширина фольги

     Небольшую индуктивность можно получить и при обычной обмотке, если располагать выводные контакты обеих обкладок возможно ближе друг к другу. Преимуществом «безындукционной» намотки остается уменьшение активного сопротивления обкладок, что дает некоторое снижение r при резонансе и уменьшает потери в конденсаторе, особенно при высоких частотах. Кроме того, припайка выводов к выступающим с торцов секции краям обкладок дает резкое повышение надежности контакта. Это особенно важно, если конденсатор используется при напряжениях меньше 1 вольта.

Недостатком «безындукционной намотки» является увеличенный вес  фольги, по сравнению с обычной  намоткой, так как фактическая  ширина фольги должна быть больше активной ширины , определяющей емкость конденсатора:

4.2 Материалы обкладок

Современное конденсаторостроение применяет для изготовления обкладок различных типов конденсаторов  большое число металлов. 

В случае конденсаторов с  твердым диэлектриком последний может быть использован в качестве механической опоры для обкладок; поэтому их толщина может быть резко снижена.  При изготовлении таких конденсаторов в качестве обкладок применяются: тонкая металлическая фольга, порядка 5-6 мкм или выше (алюминиевая, свинцово-оловянная, медная), или весьма тонкие слои металла, непосредственно нанесенные на поверхность диэлектрика тем или иным способом металлизации (цинк, алюминий, серебро и др.). Толщина этих слоев в зависимости от типа конденсатора и метода металлизации может составлять от нескольких микрон до 0,01-0,1 мкм. Некоторые свойства материалов, применяемых в конденсаторостроении для изготовления обкладок пленочных конденсаторов,  приведены ниже в таблице 4.2.1.

Таблица 4.2.1 – Некоторые  свойства материалов обкладок

4.2.1 Обкладки из фольги

     В производстве пленочных конденсаторов широко применяются обкладки из тонкой металлической фольги. Свойства обкладок из различных материалов приведены в таблице 4.4.1.1:

Таблица 4.2.1.1 – Свойства обкладок из различных материалов

Основным типом металлической  фольги,  применяемой в конденсаторостроении, является алюминиевая фольга, обладающая следующими свойствами:

1. Небольшое удельное сопротивление;

2. Высокая теплопроводность;

3. Легко прокатывается до малых толщин и относительно дешев.

Недостатком алюминия являлась трудность пайки, но теперь разработаны  специальные припои, позволяющие  успешно преодолевать эту трудность. За рубежом применяют также фольгу толщиной 5—6 мкм; у нас такая фольга используется в производстве некоторых типов малогабаритных конденсаторов.

Некоторые зарубежные фирмы вместо тонкой алюминиевой фольги применяют иногда также оловянную (точнее оловянно-свинцовую с добавкой сурьмы) как материал, легко поддающийся пайке и, благодаря своей мягкости, плотнее прилегающий к диэлектрику. Удельное сопротивление — не выше 25 мком см. Недостатком этой фольги, кроме повышенной стоимости и увеличенного удельного сопротивления, является худшая теплопроводность и повышенный удельный вес.

Также в производстве в качестве обкладок используют красномедную фольгу. Эта фольга применяется в  производстве намотанных конденсаторов  небольшой емкости, когда требуется  увеличенная прочность обкладок (например, при намотке конденсаторов  с применением заранее нарезанных обкладок небольшой длины). Наличие заусенцев на краях красномедной фольги опасно, так как может приводить к проколам диэлектрика и снижению электрической прочности конденсатора. Для устранения этой опасности ленты фольги часто пропускают между вальцами, разглаживающими заусенцы. Луженая красномедная фольга применяется также для изготовления вкладных контактов в намотанных конденсаторах с обкладками из алюминиевой или оловянно-свинцовой фольги при намотке со скрытой фольгой.