книги / Основы конденсаторной техники

3.4. Слюдяные конденсаторы малой мощности

Наибольшее распространение в электронной аппаратуре находят слюдяные конденсаторы малой мощности до 0,1…0,15 квар. Они отличаются малым tg δ, высокой стабиль-

ностью емкости и относительно небольшими габаритами. В настоящее время они заменяются керамическими высокочастотными и стеклоэмалевыми конденсаторами. При небольших емкостях порядка 100…1000 пФ, а при емкостях порядка десятков тысячи пикофарад – полистирольными конденсаторами.

Слюдяные конденсаторы малой мощности выпускаются на напряжение 250…7000 В. Имеют маркировку КЗ1. Среди старых обозначений наиболее массовым является тип КСО – опрессованный пластмассой конденсатор, выпускаемый в различных модификациях. Однако эти конденсаторы допускают эксплуатацию при влажности не более 80 % и t = 25 °C.

При высокой влажности (до 98 %) и температуре 40 °C

применяют герметизированные слюдяные конденсаторы типа КСГ, СГМ, СГО-С. Для эксплуатации при повышенных температурах используют специальные температуроустойчивые конденсаторы: КСОГ (до 155 °C ), КСОТ-200 (до 200 °C ), К31 П-1

(до 500 °C ). Для применения в высокочастотных фильтрах ис-

пользуют конденсаторы марки ССГ и CГМЗ. В электроизмерительной аппаратуре применяются конденсаторы СГО и СГО-С. В маркировке конденсаторов указывается рабочее напряжение.

Если используют конденсаторы при переменном напряжении, то его необходимо снижать (особенно на высоких частотах), так как возникает опасность ионизации и нагрева конденсатора потерями в диэлектрике и в металлических частях. Для устранения опасного перегрева, вызванного потерями в диэлектрике, переменное напряжение должно быть таково, чтобы реактивная мощность конденсатора не превышала установленного для него номинального значения:

131

U ′	= 2	PR	,
доп		ωC

где Uдоп′ – амплитудное значение напряжения, В; PR – реактивная мощность, вар;

C – номинальная емкость, Ф.

Величина реактивной мощности определяет нагрев конденсатора при неизменном tg δ. При высоких частотах tg δ

растет за счет потерь в металле.

P	= I 2 r ,	(1)
а.м	м

где rм – сопротивление, эквивалентное потерям в металле. С учетом поверхностного эффекта можно написать

rм ≈ k1 f .

Подставляя это выражение в формулу (1), получим

I =		Pа.м		=		k	.
	k
			f	4		f
1

По этой формуле находится значение допустимого тока при работе слюдяного конденсатора в высокочастотных цепях.

В зависимости от размеров конденсатора величина k = 2…8.

Величину допустимой амплитуды напряжения U ′′, определяемого потерями в металле, найдем, умножив ток на значение 2ω C:

U ′′	= I 2ω C.
доп

Для устранения опасности ионизации амплитуда перемен-

ного напряжения U ′′′ не должна превышать установленных

доп

значений (в % к постоянному напряжению) (табл. 1).

132

					Таблица 1
		U ′′′ ,	допускаемая амплитуда переменного
	Uном, В	доп
			напряжения (в %) при частоте
	(пост. ток)
		до 500 Гц		500 Гц…10 кГц	свыше 10 кГц
	250	100		60	20
	500	50		30	10
	1000…3000	30		20	5
	5000…7000	15		10	3

Из трех значений напряжения выбирается наименьшее, которое и определяет допустимый режим работы слюдяного конденсатора при высоких частотах. Uдоп может иметь вели-

чину от десятков вольт до нескольких киловольт.

При работе конденсатора в цепи пульсирующего напряжения должно соблюдаться следующее правило:

Uп +U~ ≤ Uном,

т.е. сумма постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей не должна превышать Uном.

Процесс изготовления слюдяных конденсаторов обычных типов начинается с раскалибровки слюды, которая проводится на автоматах. Далее слюдяные пластины, уложенные в кассеты, направляются на операцию серебрения, которая проводится в вакуумной установке. Для этой цели пластинки слюды из кассет специальным «укладчиком» перекладываются в рамки, которые обеспечивают создание изоляционных закраин. Покрывают серебром обе стороны пластинки. После серебрения слюдяные пластинки подвергают термической обработке в течение 30 мин при температуре 200 °C для снятия внутренних

напряжений между поверхностью слюды и металлическим слоем. Затем пластины поступают в автомат проверки электрической прочности. Сборка секций, как из серебряной слюды,

133

так и с обкладками из фольги, производится на автоматах. Собранные секции обжимаются в обжимах на специальном автомате. Затем проводят вакуумную сушку и пропитку секций церезином. Если tраб > 100 °C, то от пропитки церезином отказы-

ваются и проводят сразу герметизацию конструкции, пока она находится в нагретом состоянии. Потом проводят испытание конденсаторов и маркировку.

3.5. Слюдяные конденсаторы большой мощности

Ранее мощные слюдяные конденсаторы были основным типом конденсаторов для контуров высокой частоты в радиопередающей аппаратуре большой мощности, а также для контуров электротермических высокочастотных установок. В настоящее время они вытесняются газонаполненными или вакуумными конденсаторами – в колебательных контурах,

ав электротермических устройствах – керамическими.

Вмощном колебательном контуре конденсатор работает в тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высокого напряжения высокой частоты. Чтобы конденсатор не имел опасного перегрева, необходимо снижать его потери, стараясь исключить потери на ионизацию, а также на вибрацию обкладок и максимально снизить потери в металлических частях и диэлектрике.

Для устранения потерь, связанных с явлением «мерцания», применяют обкладки из фольги. Это позволяет снизить потери в обкладках за счет увеличения их сечения. Но необхо-

димо хорошее сжатие обкладок. Нужно применять слюду с наименьшим содержанием дефектов и проводить сушку конденсаторных секций перед их герметизацией.

Толщину слюды для контурных конденсаторов обычно берут примерно 0,05…0,1 мм. При заданной толщине слюды и заданной рабочей частоте можно найти среднее значение на-

134

пряжения начала ионизации у краев обкладки, используя эмпирическую формулу

Uион = A − B lg f ,

где А – коэффициент; при работе на воздухе A =10 B, при работе в масле A = 6,7 B.

Значение B выбирается в соответствии с выбранной толщиной слюды (табл. 2).

		Таблица 2
Толщина слюды, мм	Значение В на воздухе	Значение В в масле
0,02	64	400
0,05	78	520
0,1	102	725
0,2	140	1000

Например: для работы на воздухе при толщине 0,05 мм, f =105 Uион =10 78 −78 5 =390 В. Uдоп на одну секцию надо брать с запасом на 25…30 %.

Конденсатор, сконструированный из расчета на устранение ионизации, необходимо проверить на нагрев в рабочем режиме путем теплового расчета и непосредственным испытанием под нагрузкой.

Одним из вариантов слюдяного конденсатора является намотанный конденсатор с диэлектриком из слюдяной бумаги. Такая бумага изготовляется на специальной машине (как бумагоделательная) из измельченных отходов слюды и может быть получена с толщиной 25…30 мкм и tраб =50...200 °C. При t = 200 °C для пропитки используются полиэфирный ком-

паунд, корпуса – из латуни или никелированной стали, изоляторы – стеклянные. В качестве обкладок использована алюминиевая фольга. Конденсаторы этого типа применяются, когда

135

требуется большая емкость при значительном напряжении, а нагревостойкость бумажных и пленочных конденсаторов недостаточна.

Высоковольтные слюдяные конденсаторы большой мощности, выпускаемые на U = 1,0…25 кВ имеют емкость 100 пФ…2 мкФ. Однако слюдяные конденсаторы успешно заменяются высоковольтными керамическими конденсаторами в электротермических устройствах. В настоящее время они применяются сравнительно редко.

3.6.Слюдяные образцовые конденсаторы

имагазины емкости

Слюдяные образцовые конденсаторы дополняют серию воздушных образцовых конденсаторов и расширяют пределы емкости.

Образцы I класса применяются для наиболее ответственных измерений, образцы II класса – более дешевые для исполнения в качестве вторичных образцов емкости в заводских лабораториях.

В электроизмерительной технике находят широкое применение магазины емкости, особенно при мостовых измерениях. Магазин емкости представляет собой набор слюдяных конденсаторов, позволяющий менять емкость ступенями по 0,001 мкФ. В современных слюдяных магазинах емкости используют конденсаторы из серебряной слюды.

При использовании слюдяных конденсаторов в измерительной технике надо иметь в виду, что в отличие от воздушных конденсаторов они имеют относительно больший коэффициент абсорбции.

4. Керамические конденсаторы

Из числа конденсаторов с неорганическим диэлектриком наиболее широкое распространение в последние годы получили керамические конденсаторы. Составы керамических ди-

136

электриков весьма сложны и разнообразны и обеспечивают большой набор значений диэлектрической проницаемости (от 6 до десятков тысяч). Величина ТКε может иметь как положительные и отрицательные значения, так и занчения, близкие к нулю.

Керамические конденсаторы подразделяются на высокочастотные (тип 1) и низкочастотные (типы 2 и 3), высоковольтные и низковольтные. Основными особенностями керамических конденсаторов типа 1 являются нормированные значения ТКЕ, малые потери, малые значения индуктивности.

Керамические конденсаторы состоят из керамического диэлектрика, электродов, нанесенных путем вжигания металла (Ag, Pt, Pa), припаянных выводов и защитного покрытия.

Первые низковольтные керамические конденсаторы выпускались только трубчатой (КТ) и дисковой (КД) конструкции и имели невысокие значения емкостей. При дальнейшей модернизации этих конденсаторов были применены новые керамические материалы с более высоким значением ε, использованы более совершенные технологические приемы при их изготовлении и материалы для защиты от воздействий окружающей среды. Это позволило расширить максимальные значения номинальных емкостей, улучшить электрические и эксплуатационные характеристики. Керамические конденсаторы, выпускаемые в массовых количествах, отличаются малой стоимостью и широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре.

4.1. Технология изготовления керамических конденсаторов

Технологическую цепочку изготовления керамических конденсаторов можно изобразить в виде блок-схемы (рис. 6).

В качестве исходных продуктов в производстве керамических конденсаторов применяются как природные сырьевые ма-

137

териалы (глина, тальк, мрамор), так и продукты химической промышленности (двуокись титана, двуокись циркония, углекислый барий и др.).

Рис. 6. Блок-схема технологического процесса изготовления керамических конденсаторов

Природное сырье необходимо очищать от посторонних включений и примесей (особенно железа). Их удаление производят магнитной сепарацией.

Для получения керамической массы нужного состава производят измельчение и смешивание входящих в нее компонентов на шаровой мельнице. Обычно проводят мокрый помол в присутствии воды и получают жидкую массу – шликер, которая затем обезвоживается на фильтр-прессе. С фильтр-пресса керамическая масса снимается в виде пластичных коржей с влажностью 20–25 %, после чего она сушится и дробится в сухой порошок.

Чаще всего применяют вибропомол на шаровых мельницах для ускорения размола массы и увеличения степени ее измельчения.

Существует также способ вихревого помола с использованием вихревых (струйных) мельниц, в которых с помощью сжатого воздуха или пара осуществляется столкновение двух потоков предварительно измельченной керамической массы. Таким методом получают более мелкую степень измельчения, что позволяет снизить толщину керамических диэлектриков.

138

Рассмотрим методы изготовления заготовок в произ-

водстве керамических конденсаторов.

1.Прессование из сухого порошка. Применяется для изго-

товления дисковых конденсаторов. Заготовки прессуются на прессах в специальных пресс-формах. Перед прессованием порошок увлажняют и вводят в него органическую связку (парафин, поливиниловый спирт). Получаемая толщина диска по-

рядка 0,2…0,3 мм.

2.Протяжка трубок. Из пластичной массы изготовляют трубчатые конденсаторы. Влажная масса в виде коржей поступает на вакуум-мялку, где происходит уплотнение массы для удаления воздушных включений, затем масса идет на пресс для вытяжки трубок. В массу вводят пластификаторы для увеличения пластичности. Толщина стенок до 0,2…0,3 мм.

3.Литье из жидкой массы в гипсовые формы. Применяет-

ся для изготовления конденсаторов высокого напряжения (например, горшкового типа). Стенки гипсовой формы отнимают воду из массы и она загустевает. После подсушки раскрывают форму и вынимают заготовку. Метод литья дает более высокие

значения Eпр. Для получения более точных размеров заготовку

обрабатывают на токарном станке.

4. Горячее литье. Применяется для изготовления конденсаторов сложной формы, в частности для производства «секционных» (щелевидных) конденсаторов типа КЛГ или КЛС. Жидкая керамика с пластификатором при температуре 70...90 °C и давлении 4…5 атм поступает в форму, где засты-

вает при охлаждении. Затем удаляют пластификатор и спекают керамику (при t =180...200 °C ). Толщина стенок составляет

0,2…0,5 мм, толщина щелей, в которых создаются обкладки, 0,1…0,2 мм.

Диэлектрик представляет собой прямоугольную призму, узкие прямоугольные прорези в которой образуют ряд тонких керамических пластин, покрытых тонким слоем металла.

139

Общая емкость конденсатора складывается из параллельно соединенных емкостей отдельных пластин. У конденсатора КЛГ прорези глухие, что затрудняет регулировку емкости. Более простая технология у конденсаторов КЛС со сквозными щелями, которые позволяют регулировать емкость. Недостаток – малый межэлектродный зазор, который приводит к уменьшению влагостойкости конденсатора.

Для конденсаторов КЛГ и КЛС пробой одной из пластин вызывает потерю работоспособности всего изделия. Для секционных керамических конденсаторов применяют «резервирование» пластин, т.е. между двумя соседними пластинами оставляют свободную прорезь, не подключенную ни к одному из общих электродов. Таким образом, общая емкость складывается из емкости параллельно соединенных пар пластин с последовательным соединением между собой. Пробой одной из пластин вызовет изменение емкости конденсатора без потери его работоспособности. Этот способ позволяет повысить надежность конденсатора в 10–20 раз.

5. Литье керамических пленок с последующей вырубкой из них дисков малого диаметра. Применяется при изготовлении миниатюрных конденсаторов. Шликер тонким слоем выливается на движущуюся металлическую ленту, покрытую слоем лака для предотвращения прилипания керамики к металлу. Лента проходит через сушильное устройство. Из керамической пленки вырубают диски. Затем идет обжиг, т.е. подъем температуры, выдержка при максимальной температуре 1300...1400 °C и охлаждение. Обожженные заготовки керами-

ческих конденсаторов подвергаются серебрению методом вжигания для образования обкладок конденсатора, после чего к обкладке припаивают выводы. После этого наносится влагозащитный слой, проводится испытание конденсаторов и их маркировка.

Керамика, применяемая в конденсаторах разделяется на высокочастотную и низкочастотную.

140