Керамические конденсаторы

Определение и общие сведения о керамических конденсаторах

В настоящее время существует широкий выбор разных типов конденсаторов. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки. Некоторые из них имеют большую емкость, другие работают при высоких напряжениях, третьи имеют малый ток утечки, четвертые обладают небольшой индуктивностью. Преимущества того или иного типа конденсатора определяет их области использования.

Когда говорят о керамике в конденсаторах, то имеют в виду материалы, которые имеют структуру схожую с обожженной глиной, однако глины в таких материалах нет или ее крайне мало. В керамических конденсаторах диэлектриком в настоящее время часто является высококачественная керамика: ультрафарфор, тиконд, ультрастеатит и др. Обкладкой служит слой серебра, нанесенный на поверхность.

Керамические конденсаторы стали обычным элементом для почти любой электронной схемы. Их используют там, где необходимо работать с сигналами изменяющейся полярности, важны частотные характеристики, небольшие потери при утечке, малые размеры и невысокая стоимость.

Керамические конденсаторы делят на конденсаторы с постоянной емкостью и подстроечные.

Большую группу конденсаторов составляют керамические конденсаторы с сегнетоэлектриком в качестве диэлектрика, который имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Дисковые сегнетоэлектрические керамические конденсаторы изготавливают в виде круглых керамических пластинок, имеющих обкладки из тонкого слоя серебра. Имеются керамические трубчатые конденсаторы, которые представляют собой трубку с тонкими стенками, поверхности которой покрывают слоем серебра.

Керамические конденсаторы используют в разделительных цепях усилителей высокой частоты. Керамические конденсаторы устойчивые к перепадам температуры применяют в контурах генераторов.

Подстроечные керамические конденсаторы служат для подстройки колебательных контуров. Такой конденсатор имеет в составе основание (статор) из керамики и керамический ротор (подвижный диск). Ротор при помощи оси прикрепляется к статору и может вращаться. Обкладки из серебра имеют форму секторов, их наносят и на статор и на ротор. Емкость такого конденсатора изменяется при вращении обкладок. Существуют керамические подстроечные конденсаторы и в виде трубки. Одна из обкладок трубчатого построечного конденсатора — это стационарный металлический стержень с винтовой нарезкой, который наносят на внутреннюю поверхность трубки. Емкость такого конденсатора изменяют за счет ввода (вывода) стержня из трубки при помощи отвертки.

Долгое время керамические конденсаторы были приборами с малой емкостью из-за проблем технологии производства.

Керамические конденсаторы могут короткое время выдерживать перегрузки по напряжению, которые во много раз превышают номинальное рабочее напряжение.

К недостаткам керамических конденсаторов относят: сильную зависимость диэлектрической проницаемости (соответственно емкости) от температуры и разности потенциалов на обкладках. В настоящее время существуют керамические конденсаторы с диэлектриком (X7R), который позволяет работать элементу в диапазоне температур от -55^oС до 125^oС, но такой конденсатор является довольно дорогостоящим на сегодняшний момент.

Керамические однослойные конденсаторы

Керамические однослойные конденсаторы встречаются обычно в виде дисков. Они имеют относительно большую емкость при малых размерах. Она составляет от 1пФ до 220 нФ. Максимальное рабочее напряжение обычно составляет не более 50 В . Такие конденсаторы имеют малый ток утечки и низкую индуктивность, могут работать при высокой частоте и имеют большую стабильность емкости при повышении температуры. Данные конденсаторы можно применять в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

Керамические многослойные конденсаторы

Электрическая емкость плоского конденсатора, который содержит N слоев диэлектрика толщина каждого $d_i$ , соответствующая диэлектрическая проницаемость i-го слоя ${\varepsilon}_i$ , равна:

$C=\frac{{\varepsilon}_0S}{\sum^N_{i=1}{\frac{d_i}{{\varepsilon}_i}}} \qquad (1)$

где S – площадь активной части одного электрода. Из выражения (1) следует, что ёмкость многослойного конденсатора можно увеличивать, если уменьшать толщину слоев диэлектрика (керамических пластин), увеличивая число слоев, диэлектрическую проницаемость керамики, активную площадь. Можно создавать конденсаторы с несколькими выводами. При этом следует учесть, что уменьшение единичного слоя диэлектрика ведет к барьера напряжения для пробоя. Увеличение активной площади неизбежно ведет к росту габаритов конденсатора. Кроме того, увеличение диэлектрической проницаемости керамики ухудшает температурную стабильность и вызывает существенную зависимость емкости конденсатора от напряжения.

Многослойные керамические конденсаторы используют для поверхностного монтажа в схемах для подавления пульсаций, деления электрического сигнала на постоянную и переменную компоненты.

Для создания малых многослойных конденсаторов применяют керамику на основе $TiO_2$ и $BaTiO_3$ .

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Расстояние между пластинами плоского конденсатора равно $d'=$ 1 мм, площадь пластин составляет S=0,02 м². Конденсатор является двуслойным, толщина слоев одинакова. Диэлектриком является фарфор. Какова емкость такого конденсатора?

Решение

В качестве основы для решения задачи используем формулу:

$C=\frac{{\varepsilon}_0S}{\sum^N_{i=1}{\frac{d_i}{{\varepsilon}_i}}} \qquad (1.1)$

Учтем, что имеем всего два слоя (N=2), толщина каждого из слоев равна d, диэлектрическую проницаемость фарфора обозначим $\varepsilon$ , тогда формула (1.1) преобразуется к виду:

$C=\frac{{\varepsilon}_0S}{\frac{d}{\varepsilon}+\frac{d}{\varepsilon}}=\frac{\varepsilon {\varepsilon}_0S}{2d}=\frac{\varepsilon {\varepsilon}_0S}{d'}$

В справочнике найдем величину диэлектрической проницаемости фарфора ( $\varepsilon =6,5$ ). Можно провести вычисления:

$C=\frac{6,5\cdot 8,85\cdot {10}^{-12}\cdot 0,02}{{10}^{-3}}=1,15\cdot {10}^{-9}\ (\Phi)$

Ответ

C=1,15 нФ

ПРИМЕР 2

Задание

Схематически изобразите структуру многослойного керамического конденсатора. Как можно вычислить емкость многослойного конденсатора, если известна толщина слоя диэлектрика (b) количество его слоев?

Решение

Сделаем рисунок.

Для многослойного конденсатора, имеющего n равных по толщине слоев одного диэлектрика, емкость определена формулой:

$C=\frac{\varepsilon {\varepsilon}_0Sn}{b} \qquad (2.1)$

где ${\varepsilon}_0$ = $8,85\cdot {10}^{-12}\frac{\Phi}{m}$ – электрическая постоянная; S – активная площадь одного из электродов.

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Советуем прочитать:

Керамические конденсаторы

Определение и общие сведения о керамических конденсаторах

Керамические однослойные конденсаторы

Керамические многослойные конденсаторы

Примеры решения задач