Конденсаторы (постоянной и переменной емкости) имеются практически в любом электронном приборе. Основные величины, характеризующие конденсатор, - это его емкость и рабочее напряжение. Третьей важной характеристикой, определяющей область применения конденсаторов, является способность их работать в це­пях с токами высокой частоты. Конструкция конденсато­ров в зависимости от назначения и величины емкости может быть самой разнообразной.

Общепринятой международной единицей измерения емкости является фарада (Ф). Однако фарада как единица емкости очень велика и для практических целей мало пригодна. Поэтому емкость конденсаторов обычно из­меряется в производных величинах - в микрофарадах (мкФ) при относительно большом значении емкости (1 Ф = 10 6 мкФ) и в пикофарадах (пФ) - при малом (1 мкФ=10 6 пФ).

Допускаемое отклонение емкости от номинала обыч­но указывают -в процентах, но на конденсаторах очень малых емкостей допускаемое отклонение от номинала обозначают в пикофарадах. Если на конденсаторе ука­зано «100± 10%», это означает, что емкость его не может быть меньше 90,и больше НО пФ. Если в маркировке допуск не указан, то у такого конденсатора допускаемое отклонение от номинала ±:20%. На конденсаторах, из­готовляемых только с одним, определенным допускае­мым отклонением от номинала, например, оксидных (старое название - электролитические) конденсаторов серии КЭ, сегнетокерамических КДС, допуск также не указы­вается.

При работе конденсатора в цепи, где имеется и пе­ременная и постоянная составляющие, общая сумма напряжения постоянного тока и амплитудного значения на­пряжения, переменного тока не должна превышать номинального напряжения. Если переменная составляю­щая напряжения мала (что имеет место во всех каска­дах усиления высокой и промежуточной частот приемни­ка), то, выбирая конденсатор, достаточно учитывать только постоянное напряжение на нем. Но. в цепях око­нечного каскада и выпрямителя надо учитывать также и переменную составляющую..

Следует, однако, иметь в виду, что запас по напряже­нию не должен слишком завышаться, так как у конден­саторов с большим номинальным напряжением обычно больше габариты, что приводит к увеличению габаритов всего устройства в целом, а также в конечном итоге к повышению стоимости устройства.

Оксидные (или как их ранее называли - электроли­тические) конденсаторы не рекомендуется использовать при напряжениях переменной составляющей, близких к половине рабочего напряжения конденсатора. Это объяс­няется особенностями устройства и режимом их работы.

При нормальной температуре фактическая емкость оксидного конденсатора может быть на 20% меньше и на 80% больше обозначенной на его корпусе. При макси­мальной рабочей температуре, которая для конденсато­ра широкого применения составляет 70 - 80° С, емкость может увеличиваться на 20 - 30% по сравнению с изме­ренной при нормальной температуре. У конденсаторов, предназначенных для бытовой аппаратуры, емкость при температуре - 10° С может уменьшиться в два раза но сравнению с емкостью при нормальной температуре (конденсаторы К50-6, К50-7). В аппаратуре для поле­вых, условий работы используются конденсаторы (К50-3, К50-ЗА, К50-ЗБ), у которых емкость снижается не более чем в два раза при температуре - 40 ... - 60° С.

Оксидные конденсаторы полярны. Они хорошо работают в цепях постоянного и пульсирующего напряжения. Вместе с тем выпускаются и неполярные оксидные конденсаторы с алюминиевыми и танталовыми фольговыми электродами. Такие конденсаторы могут работать в це­пях переменного тока.

Номинальные напряжения выпускаемых промышлен­ностью оксидных конденсаторов находятся в пределах от 3 до 450 В, а номинальные емкости - от долей микро­фарады до нескольких тысяч микрофарад, причем кон­денсаторы с большой емкостью, как правило, имеют меньшие номинальные напряжения.

Так. как максимально допустимое напряжение вклю­чает в себя и амплитуду переменной составляющей, то для полярных оксидных конденсаторов с рабочим напря­жением 100 - 450 В величина переменной составляющей не должна превышать 8% от этих напряжений. Чем больше емкость и номинальное напряжение, тем меньше допустимая амплитуда переменного тока. Если пере­менная составляющая имеет большую величину, оксидный конденсатор перегревается. В таких случаях оксид­ные конденсаторы следует заменять конденсаторами дру­гих типов, например, бумажными большой емкости.

К особенностям оксидных конденсаторов относится и то, что в фильтрах выпрямителей их можно -применять лишь на частотах до 1000 Гц. При повышении частоты (выше 50 Гц) действующая емкость их будет становиться все меньше и меньше по отношению к номинальной, При более высоких частотах допустимая амплитуда пе­ременной составляющей также уменьшается обратно пропорционально частоте. Так, при частоте 100 Гц допус­тимая амплитуда вдвое меньше, чем при частоте 50 Гц.

Оксидные конденсаторы имеют сравнительно низкое сопротивление изоляции. При номинальном для данного типа конденсаторов рабочем напряжении ток утечки мо­жет доходить до 0,1 мА на каждую микрофараду емко­сти. Утечка свыше этой нормы свидетельствует о пло­хом качестве конденсатора. Такой конденсатор необхо­димо заменить.

Оксидные конденсаторы применяют преимущественно в фильтрах блоков питания, в развязывающих фильт­рах, а в транзисторной аппаратуре - в цепях связи меж­ду транзисторными каскадами и для шунтирования ре­зисторов в цепях эмиттеров транзисторов. Используются они также для шунтирования резисторов в цепях катодов электронных ламп.

Как и для других радиодеталей, требования к жест­кости допускаемых отклонений емкости от номинального значения определяются для конденсаторов в зависимости от того, какую функцию они выполняют в том или дру­гом аппарате. Так, для конденсаторов, шунтирующих ре­зисторы в цепях катодов ламп усилителей ВЧ и ПЧ, конденсаторов фильтра и блокирующих в анодных и экранных цепях, емкости могут быть сколь угодно боль­шие, но не меньше номинальной, указанной на схеме; для разделительных конденсаторов, применяемых в уси­лителях низкой частоты, отклонения от номинала могут составлять 20 - 30%. Емкость конденсаторов, применяе­мых в корректирующих цепях, улучшающих частотную характеристику усилителей низкой частоты, не должна отличаться более чем на ±10% от расчетной. Столь же жесткие требования предъявляются и к конденсаторам, используемым в супергетеродинных приемниках для со­пряжения контуров.

Тип диэлектрика, используемого в конденсаторе, игра­ет решающую роль при определении области применения конденсатора. В колебательных контурах диапазона длинных и средних волн можно использовать практиче­ски конденсаторы самых разных типов, в том числе и со слюдяным диэлектриком, хотя такие конденсаторы не всегда обладают достаточно малыми потерями.

Во всех цепях токов высокой частоты можно приме­нять керамические конденсаторы (при емкостях до 1000 - 5000 пФ) или безындукционные бумажные (при емкостях более 1000 - 5000 пФ).

В цепях экранирующих сеток ламп и в анодных филь­трах высокочастотных, каскадов для развязывания це­пей допустимо применять безындукционные бумажные конденсаторы; при этом должна быть заземлена или соединена с проводом общего минуса наружная обклад­ка конденсатора (этот вывод помечается соответствую­щим знаком на корпусе или торце безындукционных конденсаторов). В низкочастотных каскадах все конден­саторы могут быть бумажные.

Конденсаторы переменной емкости для настройки ко­лебательного контура приемников желательно иметь с воздушным диэлектриком. Еще в большей мере это от- носится к колебательным контурам измерительных при­боров. Из подстроечных конденсаторов лучшими являют­ся конденсаторы с воздушными и керамическими ди­электриками.

Основные неисправности конденсаторов: пробой изо­ляции (короткое замыкание между обкладками), боль­шой ток утечки (плохая изоляция между обкладками), обрыв выводов, а у оксидных (электролитических) - и потеря емкости.

Проверка исправности конденсаторов. Неисправности конденсаторов, особенно большой емкости, такие, как по­теря емкости, короткое замыкание и большой ток утеч­ки, могут быть легко обнаружены с помощью мегаомметра, а также омметра или даже простейшего пробника.

Если конденсатор большой емкости исправен, то при подключении к нему пробника стрелка прибора сначала резко отклонится вправо, причем отклонение это будет тем больше, чем больше емкость конденсатора, а затем относительно медленно начнет возвращаться влево и установится над одним из делений в начале шкалы. Если же конденсатор неисправен, то есть потерял емкость или имеет утечку, то в первом случае стрелка прибора вооб­ще не отклонится вправо, а во втором - отклонится почти на всю шкалу, а затем установится на одном из делений в конце ее в зависимости от величины сопротивления утечки. Проверяя конденсатор этим способом, следует всегда обращать внимание на то, не превышает ли напряжение питания прибора допустимого напряжения конденсатора, иначе в конденсаторе может произойти пробой изоляции уже при проверке.

Состояние изоляции у конденсаторов емкостью по­рядка микрофарад, а иногда и десятых долей микрофа­рады может быть оценено и по интенсивности искры, если конденсатор подключить сначала к источнику напряже­ния и зарядить, а затем замкнуть его выводы. Таким спо­собом можно проверять конденсаторы любых типов (кро­ме электролитических).

В ряде случаев вызывает затруднение проверка кон­денсаторов малой емкости (порядка десятков и сотен пикофарад), у которых искра при разряде незначитель­на, а сопротивление утечки настолько велико, что конден­сатор с обрывом вывода может быть легко принят за вполне исправный с высоким сопротивлением утечки.

Рис. 8. К описанию способа измерения емкости электролитического конденсатора

Если имеется несколько однотипных конденсаторов небольшой емкости, то выбрать из них конденсатор с наименьшей утечкой можно с помощью обычного лампо­вого приемника. Антенну в этом случае отсоединяют от приемника, а регулятор громкости устанавливают в по­ложение максимальной громкости. Каждый из конден­саторов, пробивное напряжение которых должно быть больше, чем напряжение на экранной сетке лампы, при­соединяют одним выводом к шасси приемника, а дру­гим - к экранной сетке лампы.

Если утечка конденсатора мала, то щелчок будет слышен только при первом прикосновении к экранной сетке лампы, а все последующие прикосновения не будут сопровождаться щелчками. Если же конденсатор имеет значительную утечку, то щелчком будет сопровождаться каждое прикосновение. Этим способом можно проверять конденсаторы емкостью от 50 пФ до 0,1 мкФ.

Конденсаторы, включенные в цепь высокого напряже­ния, можно проверять другим способом - с помощью вольтметра постоянного тока (на 500 - 600 В), например авометра. Для этого необходимо отпаять вывод конден­сатора, соединенный с шасси приемника или усилителя, и подключить между этим выводом и шасси вольтметр. Затем.приемник или усилитель включают в сеть. Если конденсатор исправен, то стрелка прибора после прогре­ва ламп отклонится на несколько делений, а за­тем вернется на нуль. Ес­ли же стрелка на нуль не возвращается, это указы­вает на наличие утечки в конденсаторе, причем ве­личина тока утечки- в из­вестной мере пропорцио­нальна показаниям вольт­метра.

С помощью омметра или авометра в режиме измерения сопротивлений можно в случае необходимости определить полярность оксидного конденсатора (типа К50-6 и др.). При подключении к конденсатору прибор в. зависимости от того, как подключены щупы, в одном положении покажет большее, а в другом меньшее сопро­тивление. Большее сопротивление соответствует тому случаю, когда плюсовой щуп прибора соединен с поло­жительным полюсом конденсатора.

Рис. 9. Прибор для проверки конденсаторов

Достаточно простым способом - с помощью вольт­метра (авометра) и секундомера можно определить не­известную емкость оксидного конденсатора. Измеритель­ный прибор должен иметь при этом сопротивление не менее 10 кОм/В. Собрав схему рис. 8, конденсатор через размыкающую кнопку Кн1 подключают к источнику постоянного напряжения и заряжают. Если после этого нажать кнопку, то конденсатор начнет разряжаться через вольтметр, причем напряжение на нем будет уменьшаться по экспоненциальному закону. Время, в течение которого напряжение достигнет 0,37 первоначального значения, называется постоянной времени Т. Емкость конденсатора в этом случае рассчитывают по формуле:

C = T/R,

где С - неизвестная емкость конденсатора, мкФ;

Т - постоянная времени, т. е. продолжительность разряда конденсатора до 0,37 первоначального значения, с;

R - сопротивление разрядной цепи, МОм; практиче­ски для схемы рис. 8 R равно сопротивлению добавочного резистора, включенного последова­тельно с рамкой подвижной системы вольтметра. Простой прибор для проверки конденсаторов. Для проверки конденсаторов (емкостью от долей микрофарады до десятков микрофарад) может быть использован также простой прибор, схема которого приведена на рис. 9. Прибор может быть применен для проверки кон­денсаторов разных типов, в том числе и оксидных (элект­ролитических), однако в последнем случае необходимо следить за полярностью их включения. Следует помнить также, что проверять этим способом низковольтные конденсаторы нельзя, так как напряжение, подаваемое на конденсатор, относительно высоко - от 90 до 210 В. Так как в приборе нет разделительного трансформатора, то подключение к нему конденсаторов во избежание по­ражения током следует производить только при пол ном-отключении прибора от сети.

Рис. 10. Способ «подстройки» конденсатора постоянной емко­сти

При проверке подключенных к прибору конденсато­ров переключатель В2 должен быть разомкнут. В слу­чае исправных конденсаторов неоновая лампа вспыхи­вает на короткое время, а затем сразу же погасает. Если конденсатор имеет утечку, лампа погасает медленно. Если конденсатор пробит, лампа светится не погасая.

В случае когда проверяются конденсаторы очень ма­лой емкости, прибор может показать лишь утечку и ко­роткое замыкание.

При проверке конденсаторов большой емкости, на­пример конденсаторов фильтров, переключатель В2 сле­дует замкнуть. Процедура проверки остается прежней. Конденсаторы большой емкости после проверки этим прибором следует разря­жать, так как на них может оставаться заряд.

Подстройка конденсато­ра постоянной емкости. При настройке приемника часто приходится подбирать кон­денсаторы гетеродинных и входных контуров. Если в приемнике используются конденсаторы КТК, то под­бор емкости конденсаторов в этих контурах можно упро­стить. Для этого на корпус конденсатора рядом с выво­дом наматывают плотно несколько витков провода ПЭЛ 0,3 (рис. 10) и один из концов этой спиральки подпаива­ют к выводу конденсаторов. Раздвигая и сдвигая витки спиральки, можно в небольших пределах регулировать емкость конденсатора. Может случиться, что, подключив конец спиральки к одному из выводов конденсатора, до­биться изменения емкости не удается. В этом случае спи­раль следует подпаять к другому выводу.

Замена конденсаторов. При отсутствии конденсатора соответствующей емкости его часто удается заменить двумя (или несколькими) последовательно или парал­лельно соединенными конденсаторами. Общая емкость двух конденсаторов при последовательном соединении может быть рассчитана по формуле:

C Общ =(С1-С2)/(С1 + С2)

где С1 и С2 - емкости каждого из последовательно сое­диненных конденсаторов.

Если конденсаторы соединены параллельно, то общая емкость равна сумме их емкостей.

Оксидные (электролитические) конденсаторы, имеющие полярные выводы, также могут быть включены и параллельно и последовательно. Однако при последовательном их включении всегда следует принимать дополнительные меры для предотвращения пробоя изоляции. Особенно это важно, когда при отсутствии оксидных кон­денсаторов на нужные рабочие напряжения их заменяют конденсаторами меньшего рабочего напряжения. Чтобы выровнять напряжения, параллельно каждому из последовательно соеди­ненных конденсаторов (рис. 11, а) подключают резисто­ры одинакового сопротивле­ния (0,5 - 1,5 МОм). Потери, которые вызываются под­ключением таких резисто­ров, незначительны, и прак­тически не отражаются на работе выпрямителя. Об­щая емкость двух одинако­вых по емкости конденсато­ров, последовательно соеди­ненных по схеме рис. 11, а, равна половине емкости каждого из них.

Оксидные конденсаторы можно включать также встречно-последовательно (рис. 11, б), подсоединяя параллельно каждому из них диоды, рассчитанные на соответствующее напряжение, не меньшее номинальных напряжений каждого из кон­денсаторов. Таким образом соединенные конденсаторы могут работать в цепи переменного тока. При двух оди­наковых по емкости конденсаторах общая емкость их равна емкости одного конденсатора, а общее для всей цепи напряжение - номинальному значению напряжения одного конденсатора.

Рис. 11. Способы включения оксидных конденсаторов:

а - последовательное соединение; б - встречно-последовательное соединение

<< >>

Copyright V.F.Gainutdinov , 2006 - 2016. Все права защищены.
Разрешается републикация материалов сайта в Интернете с обязательным указанием активной ссылки на сайт http://сайт и со ссылкой на автора материала (указание автора, его сайта).

Керамические конденсаторы являются естественным элементом практически любой электронной схемы. Они применяются там, где необходимы способность работать с сигналами меняющейся полярности, хорошие частотные характеристики, малые потери, незначительные токи утечки, небольшие габаритные размеры и низкая стоимость. Там же, где подобные требования пересекаются, керамические конденсаторы практически незаменимы. Но проблемы, связанные с технологией их производства, отводили этому типу конденсаторов, в основном, нишу устройств малой емкости. Действительно, керамический конденсатор на 10 мкФ еще недавно воспринимался как удивительная экзотика, и стоило такое чудо как горсть алюминиевых электролитических тех же емкости и напряжения, либо как несколько аналогичных танталовых.

Однако, развитие технологий позволило сразу нескольким фирмам к настоящему времени сразу нескольким фирмам заявить о достижении их керамическими конденсаторами емкости в 100 мкФ и анонсировать начало производства еще больших значений еще до конца этого года. А сопровождающее этот процесс непрерывное падение цен на все изделия данной группы заставляет внимательнее присмотреться ко вчерашней экзотике, чтоб не отстать от технического прогресса и сохранить конкурентоспособность.

Несколько слов о технологиях. Говоря о керамических конденсаторах, мы будем рассматривать многослойные керамические конденсаторы. На рис.1 представлена структура такого конденсатора, а на рис.2 фотография сильно увеличенного среза изделия одного из мировых лидеров их производства - японской фирмы Murata

Их емкость определяется формулой:
, (1)
где
ε 0 - константа диэлектрической проницаемости вакуума,
ε - константа диэлектрической проницаемости используемой в качестве диэлектрика керамики,
S 0 - активная площадь одного электрода,
n - число слоев диэлектрика,
d - толщина слоя диэлектрика.

Таким образом, увеличения емкости конденсатора можно добиться уменьшением толщины слоев диэлектрика, увеличением числа электродов, их активной площади, увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов - основной способ увеличения емкости керамических конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит с снижению напряжения пробоя. Потому конденсаторы большой емкости трудно найти на высокое рабочее напряжение.
Увеличение числа слоев - процесс технологически связанный с уменьшением толщины единичного слоя. Рис.3 отображает технологические тенденции последних лет в этой области, представленные фирмой Murata.

Увеличение активной площади одного электрода - это увеличение габаритных размеров конденсатора - крайне неприятное явление, приводящее к резкому росту стоимости изделия.
Увеличение диэлектрической проницаемости при заметном увеличении емкости приводит к существенному ухудшению температурной стабильности и сильной зависимости емкости от приложенного напряжения.
Теперь рассмотрим возможности и особенности применения керамических конденсаторов большой емкости. Перед началом обсуждения стоит обратить внимание на уже имеющиеся предложения и ближайшие планы лидеров отрасли фирм Murata и Samsung Electro-Mechanics, представленные ниже.

Естественной областью применения подобного спектра керамических конденсаторов большой емкости может быть замена ими танталовых и алюминиевых конденсаторов для поверхностного монтажа в схемах подавления пульсаций, разделения постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, интегрирующих цепочках. Однако, при этом необходимо учитывать принципиальные различия между этими группами деталей, делающие, в большинстве случаев, бессмысленными замены типа: электролитический конденсатор номиналx напряжения на аналогичные номиналx напряжение керамического конденсатора. Рассмотрим коротко основные причины этого.

Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость их импеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR)от частоты. Типичные зависимости такого рода для керамических, танталовых и алюминиевых конденсаторов приведены на рис.4 и рис.5.

Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно использовать керамический конденсатор емкостью 1,0-2,2 мкФ. Экономия места на плате и денег очевидна.

Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери позволяют значительно сильнее нагружать керамические конденсаторы, нежели электролитические, несмотря на их значительно более скромные габаритные размеры, не вызывая при этом критического для детали разогрева. Сравнительные кривые разогрева конденсаторов токами пульсации различной частоты приведены на рис.6.

Еще одним и немалым плюсом керамических конденсаторов является их способность кратковременно держать высокие напряжения перегрузки, многократно превышающие номинальные. Тот, кто выбирал сглаживающие конденсаторы для импульсных источников питания, знает как это важно! Ибо там в моменты запуска и выключения могут генерироваться импульсы до нескольких значений выходного напряжения, заставляя использовать электролитические конденсаторы с большим запасом по напряжению.

Сравнительную характеристику напряжения пробоя для различных типов конденсаторов по результатам тестов, проведенных фирмой Murata, приведены на рис.7

Теперь несколько слов о грустном. При всех своих достоинствах, керамические конденсаторы большой емкости производятся с использованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностью является сильная зависимость диэлектрической проницаемости, а с ней, согласно (1), и емкости от температуры и приложенного напряжения. Типичные зависимости такого рода для конденсаторов разных типов показаны на рисунках 8 и 9.

Из них видим, что при достаточно жестких требованиях к стабильности номинала, например во времязадающих цепях, или при развязке постоянной и переменной составляющих, на замену электролитическим конденсаторам можно рекомендовать только керамические с диэлектриками X5R/X7R, последний из которых может оказаться еще более интересным, если принять во внимание его допустимый диапазон рабочих температур: -55°С +125°С, позволяющий ему найти применение как в аппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и в автомобильной технике, с ее жесткими требованиями к сохранению работоспособности при высоких температурах.

Однако, для сглаживающего конденсатора стабильность номинала не является критическим параметром. Потому можно рассчитывать на высокую востребованность и емкостей на основе менее стабильной керамики Y5V, из которой можно получить детали меньшего габарита и стоимости.

Валерий Степуков