Электрические конденсаторы

2.1. Общие сведения о конденсаторах

Конденсатор - это устройство, предназначенное для получения необходимых величин электрической емкости и способное накапливать и отдавать (перераспределять) электрические заряды.

Конденсатор состоит из двух (в ряде конструкций - более) проводников (обкладок), разделенных диэлектриком. Как правило, расстояние между обкладками, равное толщине диэлектрика, мало по сравнению с линейными размерами обкладок. Поэтому электрическое поле, возникающее при подключении обкладок к источнику внешнего напряжения U, практически полностью сосредоточено между обкладками.

Конденсаторы относят к числу наиболее широко применяемых радиоэлементов; на долю конденсаторов приходится порядка 25% компонентов радиоэлектронных устройств.

Как следует из определения, важнейшей характеристикой конденсатора является его емкость С , численно равная заряду q одной из обкладок при разности потенциалов между ними U, равной единице:

и измеряемая в СИ в Фарадах. На практике используются более мелкие единицы емкости: микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада (пФ): 1 мкФ= =10^-6 Ф, 1 нФ = 10^-9 Ф, 1 пФ = 10^-12 Ф.

Емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости рабочего диэлектрика e, конструкции конденсатора и его геометрических размеров. Емкость плоского конденсатора, представляющего собой две проводящие плоские параллельные пластины, разделенные диэлектриком, равна:

где S - площадь обкладки, d - толщина диэлектрика, e_o - электрическая постоянная, равная 8,85 ×10^-12 Ф/м.

Емкость, значение которой указано на конденсаторе, называют номинальной емкостью. Номинальные значения емкостей стандартизированы и выбираются из определенных рядов чисел.

Фактические значения емкостей конденсаторов могут отличаться от номинальных в пределах допустимых отклонений (допусков на величину емкости), которые приводятся в нормативно-технической документации в процентах. Здесь речь идет о конденсаторах постоянной емкости.

Наряду с конденсаторами постоянной емкости существуют конденсаторы переменной емкости – их емкость существенно меняется в процессе функционирования РЭА, а также существуют подстроечные конденсаторы, служащие для разовой или периодической регулировки.

Наряду с номинальной емкостью на конденсаторе указывается значение напряжения, при котором он может работать в заданных условиях в течение гарантированного срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Это значение напряжения называется номинальным напряжением.

Величина номинального напряжения зависит от физических свойств материалов, используемых в конструкции конденсатора, и самой конструкции. Оно устанавливается с необходимым запасом по отношению к пробивному напряжению диэлектрика, что исключает деградацию свойств диэлектрика в течение гарантированного срока службы.

К числу других основных характеристик конденсатора, приводимых в нормативно-технической документации, относятся следующие.

Тангенс угла потерь tgd, характеризующий рассеяние электрической энергии в конденсаторе, связанное с переходом этой энергии в тепловую (нагревом конденсатора) и рассеянием в окружающей среде.

В переменном поле Е = Е₀ ехр(i ω t) через диэлектрик течет ток, плотность которого представляет собой сумму плотности сквозного тока j_скв и плотности тока смещения j_см: j = j_скв + j_см ,

где j_скв= σ Е (здесь σ - удельная проводимость),

j_см = (здесь - электрическое смещение, )

В переменных электрических полях, в силу релаксационной (отстающей от поля) поляризации диэлектрика, диэлектрическая проницаемость ε представляет собой комплексную функцию частоты:

ε = ε ^*(ω) = ε׳ (ω) – i ε״ (ω),

где ε׳ - диэлектрическая проницаемость,

ε״ - фактор потерь (потери).

Физический смысл комплексной диэлектрической проницаемости состоит в том, что вектор имеет две составляющие , совпадающую

по фазе с , и , которая отстает по фазе от на угол π /2 (соs(-π /2) + i sin (-π /2) = -i ).

Тогда плотность тока смещения :

j_см = =

и плотность полного тока: j = j_скв + j_см = .

Таким образом, полный ток, протекающий через конденсатор, имеет две составляющие: активную j_а = , совпадающую по фазе с Е и реактивную : j_r = , опережающую Е на π/2.

В случае, если переменное напряжение приложено к конденсатору с диэлектриком без потерь ( ) (рис.2.1 а, б), то

.

Емкостное сопротивление

а) б)

Рис.2.1. Эквивалентная схема замещения идеального (без потерь) конденсатора (а) и соответствующая ей векторная диаграмма (б)

Конденсатор с диэлектриком с потерями можно представить следующей эквивалентной схемой (рис.2.2, а): идеальным (без потерь) конденсатором, шунтированным активным сопротивлением. Заметим, что возможна и последовательная схема замещения. Важно лишь, чтобы активная мощность, расходуемая в схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике.

Построим векторную диаграмму для конденсатора с диэлектрическими потерями (рис.2.2 б).

Рис.2.2. Эквивалентная схема замещения конденсатора (а) и соответствующая ей векторная диаграмма (б)

По определению, угол потерь d - угол, дополняющий до 90^о угол сдвига

фаз между током j и напряжением U.

Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь .

В случае, если , то .

Отсюда видно, что активная мощность, соответствующая рассеянной энергии, то есть нагреву конденсатора , а величина tgd действительно характеризует рассеяние электрической энергии.

Как следует из сказанного, величина тангенса угла диэлектрических потерь определяется:

- сквозной проводимостью диэлектрика (σ)

- релаксационной поляризацией диэлектрика (ε״).

На величину тангенса угла потерь конденсатора на достаточно высоких частотах оказывает влияние сопротивление обкладок конденсатора.

Величину, обратную tgδ, называют добротностью конденсатора

Сопротивление изоляции конденсатора R_из - сопротивление конденсатора постоянному току определенного напряжения. Для идеального диэлектрика R_из→ ∞; у реальных диэлектриков R_из конечно и определяется, главным образом, электроизоляционными свойствами рабочего диэлектрика (его удельным сопротивлением).

Произведение величины R_изв МОм на емкость конденсатора в мкФ – это измеряемая в секундах постоянная времени , характеризующая быстроту установления (спада) тока при приложении к конденсатору напряжения (выключении напряжения).

Для ряда конденсаторов сопротивление постоянному току характеризуют другим, сопряженным с R_из параметром - током утечки I_ут, то есть током, проходящим через конденсатор при постоянном напряжении на его обкладках.

Полное сопротивление конденсатора (импеданс) Z - сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определенной частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с реактивным (емкостным) сопротивлением также активного и индуктивного сопротивлений.

Индуктивность складывается из индуктивности самого рабочего элемента конденсатора, а также индуктивности внешних и внутренних соединительных проводников. Она оказывается важной при работе конденсатора на высоких частотах (Х_L= ω L).

Представляя реальный конденсатор в виде последовательной эквивалентной схемы, учитывающей наличие всех трех сопротивлений, строим векторную диаграмму (рис.2.3).

Величина импеданса конденсатора Z:

.

R L C

Рис.2.3. Последовательная схема замещения конденсатора и векторная диаграмма

Частота, на которой Х_L = Х_С и Z = Z_min= R, называется резонансной частотой конденсатора f_рез. Видно, что .

На частотах ниже f_рез конденсатор ведет себя как емкостный элемент (с повышением f величина Z уменьшается), а на частотах выше f_рез - как индуктивность (с повышением f величина Z возрастает). Как правило, конденсаторы используются в области частот ниже резонансной, где их индуктивность можно не учитывать.

Энергия W, запасаемая конденсатором при приложении постоянного напряжения:

Этот параметр используется для характеристики энергонакопительных конденсаторов.

Вопрос о применении конденсатора решается, исходя не только из его электрических параметров, но и массо-габаритных показателей. В этой связи для сравнения конденсаторов используют удельные характеристики, представляющие собой отношение основных параметров конденсатора к его объему V (или массе m).

Основными удельными параметрами низкочастотных конденсаторов являются удельная емкость: ;

и удельный заряд:

а высокочастотных высоковольтных конденсаторов - удельная реактивная мощность: tgδ

Для характеристики энергоемких накопительных конденсаторов используется удельная энергия:

где E - напряженность электрического поля в диэлектрике.

Требования к конденсаторным диэлектрическим материалам вытекают из условий их эксплуатации. Приведем несколько характерных примеров использования конденсаторов в электрических схемах.

1. Защита от постоянного тока (рис.2.4)

Назначение конденсатора здесь состоит в том, чтобы препятствовать прохождению постоянного тока в цепь В (идеальный конденсатор с R_из → ¥ представляет собой разрыв цепи постоянного тока) и в то же время обеспечить беспрепятственное прохождение переменной составляющей сигнала, то есть конденсатор осуществляет в этом случае защитную (демпферную) функцию.

сигнал Цепь А Цепь В   С

Рис.2.4. Включение конденсатора, предназначенного для защиты от постоянного тока

2. Фильтрация переменной составляющей напряжения (рис.2.5)

При включении конденсатора, показанном на рис.2.5, он служит фильтром переменной составляющей напряжения и, кроме того, позволяет сгладить изменения постоянного напряжения: любое резкое изменение напряжения не проходит из цепи А в цепь В. Учитывая, что реактивное емкостное сопротивление X_c=1/ωС, для выполнения указанных функций конденсатор должен обладать большой емкостью и / или способностью работать на высоких частотах.

Это означает необходимость использования диэлектрика с высокой ε и малыми потерями (малым tgδ ).

Кроме того, очевидно, что конденсатор должен "выдерживать" приложенное к нему напряжение, то есть обладать достаточно высоким номинальным напряжением, что означает необходимость использования диэлектрика с высокой электрической прочностью.

Цепь А Цепь В С

Рис.2.5. Включение конденсатора, предназначенного для фильтрации переменной составляющей напряжения

3. Обеспечение резервного питания.

На рис.2.6 представлена схема включения энергонакопительного конденсатора. Разомкнутое положение переключателя К соответствует режиму зарядки конденсатора, а замкнутое - режиму разрядки конденсатора на нагрузку. В случае индуктивной нагрузки и соответственно образования колебательного контура в разрядной цепи будет протекать периодически (рис.2.7), либо апериодически меняющийся со временем ток в зависимости от соотношения C, L и R .

Ясно, что для такого применения конденсаторов важнейшим параметром является удельная энергия конденсатора W_уд и, соответственно, высокие диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность рабочего материала.

Рис. 2.6. Схема включения энергонакопительного конденсатора

Рис.2.7. Зависимости напряжения ( ) на конденсаторе и тока

( ), протекающего через конденсатор в процессе разряда в случае индуктивно-активной нагрузки

Кроме того, поскольку конденсатор включен здесь в колебательный контур, то требуется высокая добротность, то есть малый tgδ , и высокая стабильность емкости в рабочем диапазоне частот и температур.

На все это накладывается стремление к миниатюризации элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, что применительно к конденсаторам означает необходимость в первую очередь достижения заданной не только номинальной, но и удельной емкости (заряда). Этому в значительной степени способствует использование тонких слоев диэлектрика.

Исходя из сказанного, можно сформулировать требования к конденсаторным диэлектрикам. Основными из них являются следующие:

1. Большая величина диэлектрической проницаемости e;

2. Малая величина тангенса угла диэлектрических потерь tgd;

3. Высокое сопротивление изоляции (малая величина тока утечки);

4. Высокая электрическая прочность - кратковременная,

определяемая Е_пр = U_пр/d (U_пр - напряжение пробоя) и долговременная, определяемая с учетом снижения Е_пр диэлектрика вследствие деградационных процессов в течение гарантированного срока службы.

5. Высокая стабильность свойств диэлектриков в рабочем диапазоне температур и частот конденсатора.

6. Высокая временная стабильность функциональных свойств диэлектрика.

7. Возможность получения диэлектрического материала в тонких слоях на больших площадях поверхности.

Необходимый диапазон емкостей конденсаторов столь широк, а требования, предъявляемые к конденсаторам столь разнообразны, что обойтись каким-либо одним материалом или классом материалов не удается.

В зависимости от материала рабочего диэлектрика все конденсаторы постоянной емкости делятся на три класса .

· конденсаторы с неорганическим диэлектриком

· конденсаторы с оксидным диэлектриком (последний также является неорганическим, но конденсаторы на его основе обладают специфическими свойствами, что заставляет выделять их в отдельную группу)

· конденсаторы с органическим диэлектриком.

2.2. КОНДЕНСАТОРЫ С НЕОРГАНИЧЕСКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

2.2.1.КЕРАМИЧЕСИЕ КОНДЕНСАТОРЫ

К конденсаторам с неорганическим диэлектриком относятся в первую очередь керамические конденсаторы, рабочим диэлектриком которых является керамика, получаемая посредством высокотемпературного обжига.

Керамические конденсаторы, рассчитанные на номинальное напряжение ниже 1600 В обозначаются К-10, а на более высокие напряжения (высоковольтные) – К-15.

Электроды (обкладки) керамических конденсаторов выполняются в виде тонкого слоя металла, вжигаемого в диэлектрик, или в виде тонкой металлической фольги. В качестве материала электродов конденсаторов используют тугоплавкие благородные металлы - палладий, платину и их сплавы друг с другом и с серебром. Необходимость применения дорогостоящих металлов вызвана тем, что в процессе высокотемпературного обжига керамики с уже нанесенными электродами или одновременного с обжигом керамики вжигания электродов, производимого в воздушной среде. Электроды из неблагородного металла в этих условиях неизбежно окисляются и теряют высокую проводимость.

По назначению керамические конденсаторы подразделяются на три типа.

Конденсаторы 1-го типа - конденсаторы, предназначенные для использования в резонансных контурах и других цепях радио­электронной аппаратуры, где принципиальное значение имеют малые потери и высокая стабильность емкости. Конденсаторы этого типа часто называют высокочастотными конденсаторами, хотя они могут применяться как при высоких, так и при низких частотах.

Классификационным признаком конденсаторов этого типа является температурный коэффициент емкости:

где C - емкость конденсатора, Т - температура.

Необходимость в компенсации температурных зависимостей параметров компонентов контуров (цепей) требует наличия боль­шого числа групп конденсаторов 1-го типа по ТКЕ.

В отечественной документации значение ТКЕ кодируется бук­вами П (плюс) или М (минус) в соответствии со знаком ТКЕ и цифрой , обозначающей номинальное значение ТКЕ, выраженное в миллионных долях обратных градусов. Последнее выбирается из предпочтительных чисел типа Е, а допускаемое отклонение от но­минального значения устанавливается в связи с классом точности конденсатора. Выпускаются конденсаторы с ТКЕ по группам М2200, М1500, М750, М470, М330, М220, М150, М75, М47, М33, МП0 (номинальное значение ТКЕ = 0), П33, П100. Наиболее широкое применение находят конденсаторы групп М1500, М750, М47, МП0, П33.

Исходя из известного выражения для емкости конденсатора, нетрудно показать, что ТКЕ = ТКe + a_l ,

где ТКe = (1/e) .(De/DT) - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости;

a_l - температурный коэффициент линейного расширения.

Поскольку величина a_l у керамических диэлектриков не превышает 10 10^-6 К^-1, можно считать (за исключением группы МП0), что ТКЕ ~ ТКe и аналогичным конденсаторам 1-го типа образом классифицировать высокочастотные керамические материалы. Использование в качестве классификационного признака конденсаторных материалов определенного указанным образом ТКЕ обусловлено близостью температурной зависимости их диэлектрической проницаемости к линейной.

Общие требования, предъявляемые к высокочастотной керамике, включают необходимое значение диэлектрической проницаемости, низкие диэлектрические потери (на частоте 1 МГц тангенс угла диэлектрических потерь tgd £ 6×10^-4), высокое сопротивление изоляции ( удельное объемное сопротивление керамики r_v > 10¹¹ Ом см).

В качестве основного компонента керамических диэлектриков здесь используют соединения с упругой поляризацией – электронной и ионной. В их ряду обладающие сравнительно высокой диэлектрической проницаемостью (от 80 до 120) титаносодержащие соединения: ТiО₂ (рутил), Са ТiО₃, SrTiO₃ (перовскит), барийлантаноидный тетратитанат ВаNdTi₃₄O₁₂.

Как правило, технические материалы – это бинарные или более сложные твердые растворы или механические смеси указанных соединений с различными значениями ε и ТКε. При условии, что ТКε входящих в состав керамики соединений имеют противопроложные знаки ( для электронной упругой поляризации ТКε <0, для ионной упругой поляризации ТКε >0) удается достигнуть требуемой температурной стабильности емкости.

Конденсаторы 2-го типа - конденсаторы, предназначенные для использования в цепях фильтрации, блокировки или других цепях, где малые потери и высокая стабильность емкости не имеют существенного значения. Конденсаторы этого типа называют низкочастотными (хотя они могут применяться, в принципе, при любых частотах тока).

Для конденсаторов этого типа самым главным являются максимально возможные значения ε диэлектрика. Поэтому для изготовления конденсаторов 2-го типа применяют сегнетоэлектрики (сегнетокерамику) с высокими значениями диэлектрической проницаемости и немонотонной ее температурной зависимостью. Для этого класса диэлектриков характерны высокие потери (так как работает механизм спонтанной поляризации), так что данные материалы для конденсаторов 1-го типа непригодны.

Классификационным признаком для конденсаторов 2-го типа является температурная стабильность емкости

ТСЕ = (DC/C_20°C)×100 % ,

где DC - допустимое изменение емкости в рабочем диапазоне температур.

Значение ТСЕ кодируется буквой Н и соответствующим группе по ТСЕ числом. Выпускаются конденсаторы групп Н90, Н70, Н50, Н30, Н20.

На той же основе классифицируют в отечественной практике и сегнетокерамику для конденсаторов 2-го типа. Общие требования к сегнетокерамике состоят в необходимом значении диэлектрической проницаемости, tgd £ 3,5×10^-2 и удельного сопротивления r_v ³ 10⁹ Ом см.

В последнее время осуществляется переход к принятой в промышленно развитых странах единой классификации керамических диэлектриков в зависимости от величины и температурной стабильности диэлектрической проницаемости. Используемая в мировой практике конденсаторная керамика относится к одному из следующих 4-х классов:

· NPO - материалы с диэлектрической проницаемостью до 75 и ТКe не выше 30×10^-6 в температурном интервале от -55 до 125 ⁰ C.

· X7R - материалы с диэлектрической проницаемостью в интервале от 1000 до 4000 и изменяющейся в температурном диапазоне от -55 до 125⁰C не более, чем на 15 %.

· Z5U - материалы с диэлектрической проницаемостью от 5000 до 8000, изменяющейся в температурном диапазоне от 10 до 85 ⁰ C не более, чем на +22 ¸ -56 % от значения при 25 ⁰ C.

· Y5V - материалы с диэлектрической проницаемостью от 10000 до 15000, изменяющейся в температурном диапазоне от -30 до 85 ⁰ C не более, чем на +22 ¸ -56 % от значения при 25 ⁰ C.

Основой сегнетокерамических материалов для конденсаторов 2-го типа являются главным образом титанаты, цирконаты и ниобаты щелочноземельных металлов: ВаТiО₃, СаZrO₃, PbMg_1|3Nb_2|3O₃ и другие [4, 5]. Диэлектрическая проницаемость магнийниобатов достигает десятков тысяч.

Ограничиться индивидуальными соединениями здесь не удается из-за неблагоприятной, в плане температурной стабильности емкости, температурной зависимости ε сегнетоэлектрика. Напомним, что последняя имеет острый максимум в точке Кюри, то есть при температуре перехода из сегнетоэлектрической в параэлектрическую фазу. Поэтому если точка Кюри соединения - сегнетоэлектрика находится вне рабочего диапазона температур конденсатора, достигнуть необходимой величины e материала не удается. Кроме того, наличие острого максимума e(Т) недопустимо с точки зрения температурной стабильности емкости конденсатора.

С целью сглаживания e(Т) используют, в частности, эффект размытого фазового перехода (РФП) – получают твердые растворы соединений с различной температурой Кюри, так что в силу непериодического расположения ионов разного сорта, например ионов Ti⁺⁴ и Zr⁺⁴ в твердом растворе ВаТiО₃-ВаZrO₃ (e = 8000 – 10000), отдельные микрообласти кристалла обладают различными температурами фазового перехода. В результате фазовый переход во всем объеме кристалла оказывается размытым (рис.2.8).

Рис.2.8. Схематичное изображение температурной зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика для индивидуальных соединений (1- неразмытый фазовый переход) и для твердых растворов (2 – размытый фазовый переход)

Для получения еще большей температурной стабильности используют керамику с зонально-оболочечной структурой зерен (рис.2.9).

Рис.2.9. Керамические материалы со сглаженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры: а – схема строения зонально-оболочечной структуры зерна (1 – зерно ВаТiО₃; 2 – оболочка зерна – твердый раствор с размытым фазовым переходом); б – схематическое изображение температурной зависимости e (1- ВаТiО₃; 2 – твердый раствор с размытым фазовым переходом; 3 – керамический материал с зонально-оболочечной структурой зерен)

Каждое зерно состоит из центральной части - ВаТiО₃ и оболочки – твердого раствора с размытым фазовым переходом.

Конденсаторы 3-го типа - конденсаторы, предназначенные для работы в тех же цепях, что и конденсаторы 2-го типа, но имеющие по сравнению с ними несколько меньшее значение сопротивления изоляции и большее значение тангенса угла диэлектрических потерь, что практически ограничивает область их применения низкими частотами.

Основным элементом конденсаторов этого типа служит полупроводниковая керамика на основе ВаТiО₃.

Она получается посредством восстановления диэлектрической керамики при высоких температурах, в результате чего получают нестехиометрическое соединение ВаТiО_3-х.. Положительный эффективный заряд дефектов нестехиометрии – кислородных вакансий – компенсируется переходом части ионов Тi (элемента переменной валентности) из состояния Тi ⁺⁴ в состояние Тi⁺³, либо посредством образования твердых растворов замещения, где ионы Ва и Тi частично замещаются более высоковалентными ионами, что также переводит часть ионов Тi⁺⁴ в состояние Тi⁺³.

При этом возникает прыжковый перенос заряда между разновалентными катионами, и проводимость титаната бария повышается на 10-12 порядков величины.

Рабочим диэлектриком конденсаторов 3-го типа служат образуемые в приповерхностной области керамических заготовок или вокруг каждого зерна тонкие изолирующие слои.

Для получения керамики с межзерновыми слоями наряду с элементами, придающими титанату бария полупроводниковые свойства в приповерхностную область зерен вводят дополнительные примеси, замещающие Ва и имеющие валентность ниже 2 или замещающие Тi и имеющие валентность меньше 4, так что каждое зерно представляет собой гетерогенную сильно неоднородную систему: сердцевина – полупроводниковый титанат бария, оболочка – диэлектрический изолирующий слой (межзерновой слой или МЗС).

Величина эффективной диэлектрической проницаемости полупроводниковой керамики с МЗС достигает значений порядка .

Кроме керамических конденсаторов, к конденсаторам с неорганическим диэлектриком относят слюдяные конденсаторы (К31, К32), в которых в качестве диэлектрика используют пластины конденсаторной слюды толщиной 0,02-0,06 мм. Их достоинствами являются высокая стабильность величины емкости, высокие добротность и надежность.

Еще одним типом неорганических конденсаторных диэлектриков является стекло (конденсаторы типа К22) и стеклокерамика.

При изготовлении конденсаторов с неорганическим диэлектриком используются, главным образом, две базовые конструкции:

- однослойные конденсаторы плоской конструкции (дисковые, пластинчатые)

- и многослойные конденсаторы монолитной конструкции

Керамические монолитные конденсаторы представляют собой спеченный пакет из чередующихся друг с другом слоев керамического диэлектрика и металлического электрода (рис.2.10).

Рис.2.10. Схема сборки пакета-матрицы заготовок монолитных конденсаторов. Вертикальными линиями показаны места разреза матрицы на отдельные заготовки.

Видно, что в одном пакете реализуется параллельное соединение конденсаторов ( ), причем число слоев составляет несколько десятков при толщине слоев до 10 мкм. Эта конструкция является наиболее перспективной в плане достижения максимальной удельной емкости, технологичности, а также отсутствия ограничений по толщине, связанных с хрупкостью керамики.

Совершенствование конденсаторов данного класса идет по нескольким путям:

- создание новых диэлектрических материалов с необходимыми свойствами;

- уменьшение толщины керамических слоев до единиц мкм;

- получение тонких слоев сегнетоэлектриков.

2.2.2. КОНДЕНСАТОРЫ С ОКСИДНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

Диэлектриком конденсаторов этого класса являются тонкие оксидные пленки Ta₂O₅, Al₂O₃ и Nb₂O₅, формируемые на поверхности соответствующего металла - основы методом электрохимического оксидирования. В качестве базовых металлов используют главным образом алюминий, тантал, ниобий и их сплавы.

Базовый металл используется в качестве одной из обкладок конденсатора – анода. Другой обкладкой является электролит, полупроводник или в интегральных сборках или схемах – металл. В зависимости от этого различают электролитические (алюминиевые К-50 и танталовые К-52), оксидно-полупроводниковые (К-53) и оксидно-металлические конденсаторы.

По величине диэлектрической проницаемости анодные оксидные пленки (АОП) уступают многим керамическим материалам: на частоте 1 кГц у Ta₂O₅ диэлектрическая проницаемость 27,6; у Al₂O₃ - 8,5; у Nb₂O₅ - 41,4. Тем не менее оксидные конденсаторы, реализующие емкость в системе металл - оксид металла - катодный материал, обладают рекордно высокими значениями удельной емкости и удельного заряда. Своим преимуществам они обязаны:

- сочетанию малой (субмикронной) толщины диэлектриков, обладающих при этом высокой электрической прочностью;

- особенностям конструкции - специально развитой поверхности анода, что позволяет существенно повысить его площадь в расчете на единицу объема (массы).

Развитие поверхности с целью увеличения площади анода осуществляется одним из двух способов.

В первом варианте металлический анод представляет собой объемно-пористое тело, полученное методами порошковой металлургии – высокотемпературным нагревом заготовки из порошка металла в вакуумированной камере. Частицы металла при этом спекаются, что обеспечивает необходимую механическую прочность анода. Тело такого анода пронизано порами. Это позволяет осуществлять оксидирование и заполнение пор веществом второй обкладки (электролитом, твердофазным полупроводником).

Использование мелкодисперсных порошков, порошков с развитой поверхностью частиц и других позволяет добиться гигантских значений площади поверхности в расчете на единицу объема.

Так, целесообразность применения мелкодисперсных порошков обусловлена тем, что отношение площади поверхности к объему для сферической части цы . При уменьшении размера частицы можно достичь реализуемой в емкости площади поверхности м² в расчете на 1 см³ объема и тем самым получить рекордно высокие значения удельных емкости и заряда при не слишком высоких значениях e диэлектрика.

Конструктивно оксидные конденсаторы с объемно-пористым анодом состоят из двух металлических электродов, погруженных в случае электролитических конденсаторов в электролит. На поверхности одного из электродов сформирован диэлектрический оксидный слой, второй электрод – катод – служит корпусом конденсатора и представляет собой вывод от электролита.

Второй вариант анода оксидного конденсатора представляет собой травленую металлическую фольгу. Так, технология электрохимического травления алюминия дает возможность повысить площадь анодной фольги по сравнению с площадью гладкой фольги до 100 раз.

Конструктивно фольговые конденсаторы выполнены в виде намотанного рулона, что позволяет приблизиться к соизмеримым с объемно-пористыми анодами значениям удельной емкости. Вторая обкладка в фольговых конденсаторах изготавливается из специальной бумаги (или полимерной пленки), пропитанной электролитом, смачивающим поверхность оксидного слоя, либо из стеклоткани.

Наряду с очевидными достоинствами оксидных конденсаторов при их использовании возникает ряд проблем.

1. Значительная величина тока утечки I_УТ , что само по себе ограничивает возможные области применения (например, в цепях защиты от постоянного тока), а также ограничивает допустимые рабочие напряжения.

Анодные оксидные пленки (АОП) обладают далеким от лучших изоляторов значением удельного сопротивления (не выше 10¹⁴-10¹⁵ Ом·см при номинальном напряжении). По своей структуре они представляют собой некристаллические вещества с соответствующими дефектами нестехиометрии и примесными дефектами, образующими в квазизапрещенной зоне электронные локализованные состояния. Основным механизмом переноса заряда в АОП является прыжковый перенос. Так, в случае оксидов металлов переменной валентности (оксидов переходных металлов) Тi и Nb имеют место термически активированные перескоки носителей заряда – поляронов – между разновалентными катионами основы.

Необходимо также учитывать вклад в ток утечки дефектных участков оксидной пленки – локальных утоньшений, нарушений состава, кристаллических включений, обладающих по сравнению с однородным оксидом повышенной проводимостью.

Такие макродефекты могут быть как «генетическими», связанными, например, с наличием неконтролируемых примесей, так и «биографическими», возникающими, например, в процессе формирования полупроводниковой обкладки, чаще всего двуокиси марганца МnO_2, что осуществляется путем термического разложения (пиролиза) раствора нитрата марганца при достаточно высоких температурах (~673 К), в результате чего становится возможным частичное восстановление оксида.

Наконец, следует учитывать возможность протекания в оксидном диэлектрике инжекционных токов, обусловленных инжекцией неравновесных носителей заряда из материалов электродов. С этим обстоятельством связана вторая проблема (часто основная) – проблема применения оксидных конденсаторов.

2. Униполярность оксидных конденсаторов. На рис.2.11 показаны характерные вольт-амперные характеристики. Видно, что они похожи на ВАХ диода..

При положительном потенциале на аноде через конденсатор протекает сравнительно небольшой ток утечки, а при приложении обратного напряжения регистрируется ток достаточно большой величины. Поэтому включать оксидный конденсатор в электрическую цепь можно лишь определенным образом, так чтобы на аноде был положительный потенциал. Наиболее выражен этот эффект у электролитических конденсаторов (рис.2.11).

Вентильные свойства конденсаторных структур с оксидным диэлектриком при подаче отрицательного потенциала на базовый электрод обусловлены инжекцией в оксидный диэлектрик неравновесных носителей заряда – электронов из базового металла и протонов из водородсодержащего материала второй обкладки – рабочего электролита или содержащей воду пористой двуокиси марганца.

Рис.2.11. Типичные вольт-амперные характеристики рабочих структур танталовых электролитических (1), оксидно-полупроводниковых (2) и оксидно-металлических (3) конденсаторов.

3. Ограниченный диапазон рабочих частот и температур. Это связано со свойствами материала второй обкладки – высоким, по сравнению с лучшими проводниками, удельным сопротивлением и его увеличением при понижении температуры. Вследствие сравнительно высокого сопротивления катодной обкладки (электролита, полупроводника) величина tgd оксидных конденсаторов даже на частоте 50 Гц при нормальной температуре достаточно велика: tgd » 0,05 ¸ 0,20. С ростом частоты tgd линейно возрастает. Диапазон рабочих частот оксидного конденсатора принципиально ограничен величиной так называемой критической частоты f_кр, при превышении которой необходимо учитывать свойства объемно-пористого анода как системы с распределенными параметрами, что проявляется в резком уменьшении емкости конденсатора и возрастании tgd.

С понижением температуры tgd оксидных конденсаторов резко возрастает в связи с увеличением сопротивления катодного материала, что ограничивает температурный диапазон снизу.

Верхняя граница рабочих температур, кроме физических свойств катодного материала, определяется экспоненциальным ростом проводимости оксидного диэлектрика с увеличением температуры. Как правило, даже у конденсаторов герметизированной конструкции максимальная рабочая температура не превышает 125 ^оС.

4. Проблема достижения необходимого ресурса оксидных конденсаторов.

Ресурс ограничен процессами старения оксидного диэлектрика, главными из которых являются кристаллизация оксидного диэлектрика (это характерно для оксидно-электролитических конденсаторов) и развитие пробоя диэлектрика в оксидно-полупроводниковых и оксидно-металлических конденсаторах, а также коррозионные процессы на обкладках электролитических конденсаторов и частичная потеря (улетучивание) электролита.

Желание в полной мере воспользоваться очевидными преимуществами оксидных конденсаторов воплощается в поиске и нахождении путей технического решения указанных проблем. Основные направления поиска состоят в следующем:

1. Производство новых металлических порошков, в том числе многочисленных классов порошков с частицами осколочной формы, с развитой формой зерна (губчатые, агломерированные и другие) и фольгированных материалов, обеспечивающих возможность создания конденсаторов, рассчитанных на повышенные напряжения (например, оксидно-полупроводниковых конденсаторов на 125 В), что в совокупности с высокими значениями удельной емкости, позволяет еще более повысить удельный заряд оксидных конденсаторов, уменьшить их размеры и снизить расход дефицитного и дорогостоящего тантала.

2. Использование новых анодных материалов, в том числе сплавов металлов, например сплавов системы Аl-Ti, оксидные слои которых обладают повышенной, по сравнению с применяемыми оксидными диэлектриками, диэлектрической проницаемостью.

3. Использование новых материалов для второй обкладки конденсаторов, в том числе электролитов и полупроводников с более низким сопротивлением и широким температурным диапазоном.

4. Совершенствование технологии изготовления конденсаторов, направленное на улучшение их токовых характеристик и повышение временной стабильности параметров, в том числе выбор условий формирования оксидного диэлектрика в части электрических режимов и состава формовочного электролита.

2.2.3. КОНДЕНСАТОРЫ С ОРГАНИЧЕСКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

На протяжении многих лет в качестве рабочего диэлектрика конденсаторов этого типа использовалась главным образом специальная конденсаторная бумага в виде длинных и тонких листов, пропитанная минеральным маслом с целью заполнения воздушных пор и повышения электрической прочности и стабильности материала. Бумажные фольговые конденсаторы КБГ, БМ, БГМ, БМТ состоят из двух длинных полос алюминиевой или свинцово-оловянной фольги, разделенных несколькими слоями специальной бумаги толщиной от 4 до 12 мкм и свернутых посредством намотки в виде рулона.

Для уменьшения размеров конденсаторов металлические обкладки в виде пленки наносят непосредственно на бумагу. Такие конденсаторы называются металлобумажными (МБГЦ, МБГП, МБТО, МБМ и др.)

Достоинством бумажных конденсаторов является широкий диапазон рабочих напряжений (от 200 до 4000В) и номинальных величин емкостей (от 470 пФ до 10 мкФ), что позволило создать широкую номенклатуру изделий.

Вместе с тем они обладают и существенными недостатками: по величинам R_ИЗ и tgδ они уступают конденсаторам с неорганическим диэлектриком; обладают большой собственной индуктивностью (обкладки образуют спираль), так что диапазон рабочих частот ограничен до 1 Мгц, недостаточна стабильность емкости.

Лучшими характеристиками обладают пленочные конденсаторы, имеющие конструкцию, аналогичную бумажным, но в которых в качестве рабочего диэлектрика используются синтетические высокомолекулярные пленочные материалы. Толщина таких пленок порядка единиц микрон. В совокупности с высокой электрической прочностью они позволяют, несмотря на сравнительно низкие значения диэлектрической проницаемости (2-10) достигать относительно высоких значений удельной емкости и удельной энергии конденсатора.

Бумага и синтетические пленки полярных материалов (полиэтилентерефталат, поликарбонат) имеют сравнительно большие величины тангенса угла диэлектрических потерь (табл.1), что ограничивает частотный диапазон конденсаторов. Конденсаторы на основе этих диэлектриков предназначаются в основном для включения в цепи постоянного тока и низкой частоты. Значительный интерес здесь представляют синтетические пленки поливинилиденфторида (ПВДФ), обладающего существенно большей, по сравнению с другими материалами, диэлектрической проницаемостью (e = 10 - 12) и электрической прочностью 600 - 800 кВ/мм. К недостаткам ПВДФ, с точки зрения конденсаторного применения, следует отнести значительный тангенс угла диэлектрических потерь (~1,5 × 10^-2) и низкую нагревостойкость (Т _max = +60 °С) этих пленок (табл.3.1).

У конденсаторов на основе пленочных неполярных диэлектриков (полистирол, политетрафторэтилен, полипропилен), благодаря малой величине угла потерь, существенно более широкий диапазон рабочих частот, так что они могут использоваться в цепях высокой частоты.

Таблица 2.1