Реферат: Конденсатор
ыявляются непременным элементом любых электронных схем, от простых до самыхсложных. Трудно себе представить какую бы то ни было электронную схему, вкоторой не используются конденсаторы. За два с половиной века своегосуществования они весьма значительно изменили свой облик и сегодня отвечаютвсем требованиям передовой технологии. Некоторые конденсаторы стоят не большерубля, но их производство в мировом масштабе исчисляется миллиардами долларов.
Принципыизготовления конденсаторов стали известны еще 250 лет назад, когда в 1745 г. вЛейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и нидерландский физик Питер ванМушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку» — в нейдиэлектриком были стенки стеклянной банки, откуда и возникло название. Этипринципы не изменились до сих пор, однако совершенствование технологий иприменение новых материалов позволили значительно улучшить конструкциюконденсаторов. Суммарный заряд, который мог накапливаться в лейденской банкеемкостью 1 литр, теперь можно «уместить» в устройстве размером небольше булавочной головки. За последние 30 лет размеры конденсаторовуменьшались столь же быстро, сколь быстро происходила миниатюризация вэлектронике. Ведь легко можно вспомнить как еще 15 – 20 лет назад компьютеры(ЭВМ) были настолько огромными, что занимали целые залы. Сейчас же, миниатюрныйкомпьютер с легкость умещается у нас на ладони, хотя его производительность вдесятки раз выше.
Мало кому известно, что нашвеликий электротехник Павел Николаевич Яблочков, изобретший дуговую лампуособой конструкции, одновременно занимался разработкой и использованиемконденсаторов и достиг выдающихся результатов. Основные работы по конденсаторамотражены в его публикациях (докладах и патентах) 1877 – 1880 гг. Так, вофранцузском патенте № 120684, выданном П.Н. Яблочкову 11 октября 1877 г., речьидет о лейденских банках и «конденсаторах особых типов». Для примера на рис.1представлена батарея лейденских бутылок с проводящей жидкостью. Из бутылоквыступают стержневые выводы, соединенные между собой. От сосуда отходит другойобщий вывод.
/>
В этом патенте для нас наибольший интереспредставляют «конденсаторы особых типов» в виде стопки (блока) металлическихпластин (или полосок фольги) с находящимися между ними изоляционными слоями (пластинами),при этом четные металлические пластины (полоски фольги) соединены между собойобщим проводником, а нечетные другим (рис. 2). П.Н.Яблочков указывает, чтотакие блоки можно соединять друг с другом параллельно или последовательно.Блочная (пакетная) конструкция, предложенная им, впоследствии нашла широкоеприменение.
/>
В конце 1877года и в начале 1878г. П.Н.Яблочков демонстрировал конденсаторы,предназначавшиеся для его системы электрического освещения. Они представлялисобой свернутые в рулон листы оловянной фольги, разделенные слоями пластыря игуттаперчи. В реферате доклада П.Н.Яблочкова отмечалось, что такие конденсаторы«позволяют получать в небольшом объеме громадные электрические мощности».
В дополнении от12 октября 1878 года цитированному выше патенту № 120684 Павел НиколаевичЯблочков заявляет свои права на «металлические листки, покрытые изолирующимвеществом, специально в целях устройства конденсатора посредством погружениятаких изолирующих пластин в жидкость, содержавшуюся в резервуаре».
Можнопредположить, что П.Н. Яблочков вслед за А.Вольтой, который изобреллакопленочный конденсатор, покрывал пластинки или фольгу лаком. ПредложеннаяЯблочковым конденсаторная обкладка в виде проводящей жидкости повышаетэлектрическую прочность и емкость конденсатора, обращая на пользу неровностьпокрытия. Этой идеей П.Н.Яблочков предвосхитил конструкцию оксидного(электролитического) конденсатора, запатентованного вскоре после его смерти.
Напомним, что воксидном конденсаторе диэлектриком служит оксидный слой, образующийся приэлектролизе на поверхности металла, который является одной обкладкой, при этомдругой обкладкой служит электролит, необходимый для существования оксидногослоя. Толщина оксидного слоя при небольших напряжениях меньше микрометра, благодарячему у оксидных конденсаторов рекордные удельные и абсолютные емкости.
РаботыП.Н.Яблочкова по конденсаторам относятся к тому периоду времени, когда тольконачиналось их промышленное применение в телеграфии. Яблочков одним из первыхвключил конденсатор в цепь переменного (по русской терминологии того времени –перемежающегося) тока. Изучение работы конденсатора на переменном токе имеловажнейшее значение для становления и развития электротехники, а в последствии ирадиотехники.
Сейчассуществует множество видов и разновидностей конденсаторов. Но в основе своейони все повторяют простейший конденсатор, который образуют две металлическиепластины, изолированные одна от другой (рис.3).
/>
Чаще всегопластины называют обкладками, а изолирующий слой – диэлектриком.
Миниатюризация- основное направление в совершенствовании конструкции конденсаторов, посколькуот этого зависит дальнейшее уменьшение размеров интегральных схем. Существуютдве наиболее распространенные конструкции конденсаторов: одна основана наиспользовании хрупких керамических слоев толщиной 0,002 см и меньше, а в основедругой лежит технология, позволяющая «сворачивать» плоские структурыплощадью с газетный лист в объемные конструкции размером с кусок сахара. Чтобыпонять теоретические основы этих технологий, вернемся к самым первымконденсаторам.
Прообразомсовременных конденсаторов, как уже было сказано, была лейденская банка. В 1746г. ее усовершенствовал английский ученый, астроном и физик Дж. Бевис.Лейденская банка представляет собой стеклянный сосуд, внутренняя и наружнаяповерхность которого покрыты двумя листами фольги. Через резиновую пробку всосуд вставлен металлический стержень так, что он касается внутреннего листафольги. Внутренний и наружный листы фольги, в обычных условиях имеющиенейтральный заряд, играют роль электродов, если их подсоединить к внешнемуисточнику электрических зарядов.
Источникомзарядов может быть электрическая батарейка, генератор или простая эбонитоваяпалочка, потертая о шерсть или мех. Если такой палочкой, несущей в себесвободные электроны, коснуться металлического стержня в горлышке сосуда,электроны перетекут с палочки на внутренний электрод. Таким образомотрицательный заряд будет перенесен на внутренний электрод. Посколькуспособность накапливать заряды у сосуда ограничена их взаимным отталкиванием,их переход на электрод не может быть бесконечным. Способность накапливать илиудерживать заряды называется емкостью.
В лейденскойбанке емкость увеличивается благодаря наличию второго электрода на внешней стенкесосуда. Если этот электрод заземлить, то заряд, накопленный на внутреннемэлектроде, будет притягивать из земли такой же по величине зарядпротивоположного знака. Накопленный на наружном электроде положительный зарядпритягивает находящиеся на внутреннем электроде отрицательно заряженныеэлектроны, частично нейтрализуя силы отталкивания, сдерживающие накапливаниеэлектронов. Благодаря этому емкость сосуда увеличивается. Однако растибесконечно она не может.
Имеются двапути увеличения емкости лейденской банки. Один из них заключается в увеличенииплощади электродов, чтобы дать возможность зарядам рассредоточиться в большемпространстве и тем самым уменьшить силу взаимного отталкивания электронов.Другой путь — уменьшить толщину стеклянной стенки сосуда, разделяющей заряды,скапливающиеся на внутреннем и внешнем электродах. Не надо забывать при этом,что если стекло будет слишком тонким, электроны смогут пройти сквозь него,создавая искровой разряд, что приведет к рассеянию заряда.
Оба пути влейденской банке трудно реализовать, но они входят в число трех классическихспособов, к которым прибегают современные ученые и инженеры при разработкеновых конструкций конденсаторов. Третье направление увеличения емкости — учетособенностей поведения электронов в изоляторах. Хотя электроны в изоляционномматериале неподвижны, они все же могут слегка смещаться под воздействием силпритяжения или отталкивания, действующих со стороны электродов. На однойстороне разделяющего электроды диэлектрика электроны как бы «вспучиваются»под его поверхностью, создавая отрицательный заряд, на другой его стороне они«утопают» в толщу диэлектрика, увеличивая в подповерхностной зонезначение положительного заряда.
Таким образом,созданные в диэлектрике заряды способствуют нейтрализации зарядов на обкладках,а некоторые диэлектрики могут нести заряды, которые по величине не уступаютзарядам на самих электродах. Нейтрализация зарядов уменьшает действие силотталкивания и создает условия для накопления на электродах большего заряда, чтоведет к увеличению емкости. Степень проявления этого феномена зависит отсвойств диэлектрика и называется диэлектрической проницаемостью материала.Диэлектрическая проницаемость указывает, во сколько раз увеличивается емкостьконденсатора, когда вместо вакуума пространство между его электродами(обкладками) заполняется данным материалом. Стекло, используемое в лейденскойбанке, имеет значение диэлектрической проницаемости около 5, а диэлектрическаяпроницаемость новых материалов, используемых в современных конденсаторахмассового производства, достигает 20 000.
Применениемэтих материалов как раз и объясняется высокая эффективность работы многослойныхкерамических конденсаторов, являющихся одним из двух наиболее распространенныхвидов этого устройства. Другой тип — электролитические конденсаторы; ихудельная емкость (на единицу объема) еще выше, даже без использованиядиэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью. Объем производства тех идругих составляет 95% общего количества поступающих в продажу конденсаторов.
Многослойныйкерамический конденсатор — уменьшенный вариант лейденской банки. На практике вкачестве диэлектрика в керамических конденсаторах используется титанат бария сдобавлением небольшого количества других оксидов. Такие керамики, имеющиедиэлектрическую проницаемость в пределах от 2000 до 6000, в исходном состояниипредставляют собой тонкодисперсный порошок, частицы которого имеют диаметрнесколько микрон. Порошок смешивают с растворителем, содержащим связующеевещество, которое потом соединит равномерно рассредоточенные в растворе частицыкерамики. Полученная смесь в виде жидкой глины имеет такую же консистенцию, каки краска. Смесь разливают слоем толщиной несколько сотых долей миллиметра набумажную или стальную ленту и высушивают. Пленка режется на квадратные пластиныразмером 15-20 см; на каждую такую пластину методом печатного монтажа наноситсянесколько тысяч обкладок через специальный трафарет, задающий их конфигурацию.Для нанесения обкладок используется серебряно-палладиевая суспензия.
После того какобкладки нанесены, берут 30-60 пластин и спрессовывают их между несколькимислоями таких же пластин, на которые обкладки не наносились. Полученныезаготовки конденсаторов обжигаются в печи с медленным нагревом до 1000-1400°С.
Электролитическийконденсатор можно уподобить лейденской банке из очень тонкого стекла,уменьшенной до размеров небольшого куба. Он изготавливается из куска металла с60%-ной пористостью. Для большинства современных электролитическихконденсаторов используют измельченный тантал — твердый металл серого цвета.Порошок тантала спрессовывается и затем в течение нескольких часов полученнуюзаготовку нагревают в вакуумной камере до температуры, близкой к 2000°С. Врезультате частицы металла спекаются, плотно сцепляясь друг с другом.Образуемые при этом небольшие ниши и щели в толще спрессованного порошкаповышают поверхностную площадь заготовки, которая потом будет служить одной изобкладок конденсатора. Затем в электролитической ванне заготовку подвергаютанодированию, чтобы на поверхностях пор получить изолирующий слой оксидатантала. Потом заготовку погружают в раствор нитрата марганца. В ее порах посленагрева осаждаются частицы полупроводящего диоксида марганца, слой которыхиграет роль одной обкладки, а танталовые частицы под слоем оксида тантала — другой обкладки. Конденсатор сначала покрывают графитовой, потом серебрянойкраской, напыляют слой никеля и заделывают в корпус.
Несмотря на точто электролитические конденсаторы имеют наибольшую удельную емкость по сравнениюс другими типами конденсаторов, область их применения ограничена. Во-первых,это объясняется тем, что подводимое к нему напряжение должно иметь определеннуюполярность, которую нельзя менять. Эта особенность допускает использованиеэлектролитических конденсаторов только в цепях постоянного тока. Во-вторых,электролитические конденсаторы более подвержены пробою, поскольку слоидиэлектрика в нем очень тонкие.
Списокиспользованной литературы
1. Справочникпо электротехническим материалам. Том 3. Л. «Энергия», 1988.
2. ДобрынинА.В., Казаков Н.П., Найда Г.А., Подденежный Е.Н. и др. Нитрид алюминия вэлектронной технике. Ж. «Зарубежная электронная техника», №4 1989.
3. Носов О.Н.Оптоэлектроника. М. «Высшая школа». 1976.
4. Журнал«Радио» №4 1991год.
5. Тихонов С.Н.«Электротехника для начинающих» М. «Военное издательство министерства обороныСССР» 1969г.
6. Справочник«Конденсаторы» М. «Радио и связь» 1987.
7. ТерещукР.М., Терещук К.М., Седов С.А. «Полупроводниковые приемно-усилительные устройства,справочник радиолюбителя». Издание 4-е стереотипное. Киев. «Наукова думка»1988.
8. В. А.Ацюковский — «Емкостные датчики перемещения»
9. Журнал“Радио”, номер 12, 1978 г.
10. ВиноградовЮ.В. “Основы электронной и полупроводниковой техники”. Изд. 2-е, доп. М.,“Энергия”, 1972 г. — 536 с.