9.2. Изготовление конденсаторов постоянной емкости
В конденсаторах постоянной емкости в качестве диэлектрика используют конденсаторную бумагу, полистироловую пленку, слюду и керамику. В зависимости от конструкции, параметров и назначения конденсаторы разделяют на низко- и высокочастотные.
К низкочастотным относят конденсаторы с бумажными диэлектриками типов БМ, БГМ, КБГ, МБГО, МБМ, электролитические — КЭ, ЭГЦ, ЭМ, ЭФ, ЭТО и др.; к высокочастотным — конденсаторы слюдяные и стеклоэмалевые - КСО, СГМ, КСГ, КС; керамические - КТН, КТП, КТК, КТМ, КДС, КОБ, КДК, КДО, КДУ; пленочные и металлопленочные — ПО, ПМ, ПСО, ПС, МПГ и др.
Конденсаторы постоянной емкости выпускаются в массовом производстве с номиналами от 1 пф до 2 000 мкф в соответствии с ГОСТ. Указанная на конденсаторе емкость соответствует шкале номинальных значений емкости, но его действительная емкость может отклоняться в тех или иных допустимых пределах в зависимости от класса точности.
Бумажные и металло-бумажные конденсаторы. Диэлектриком в таких конденсаторах служит тонкая, хорошо пропитанная изоляционными составами бумага, а обкладками — тонкая металлическая фольга. Бумажные конденсаторы выпускаются в разнообразном конструктивном оформлении и на различные номинальные значения емкости.
Разновидностью бумажных конденсаторов являются металлобумажные конденсаторы. Эти конденсаторы изготавливают из тонкой бумажной лепты, пропитанной изоляционным составом, на которую путем распыления наносят тонкий слой проводника. Металлобумажные конденсаторы имеют значительно меньшие размеры, чем обычные бумажные, при таких же основных электрических характеристиках.
Особую группу составляют металло-бумажные конденсаторы, которые обладают способностью восстанавливать свою электрическую прочность после пробоя. При случайном замыкании в отдельных точках обкладок ток короткого замыкания расплавляет и частично испаряет тонкий слой металла вокруг зоны пробоя, в результате чего обкладки оказываются изолированными друг от друга.
Бумажные и металло-бумажные конденсаторы применяют во все видах радиотехнической аппаратуры в качестве развязывающих, разделительных и фильтрующих элементов в цепях постоянного и переменного токов.
Бумажные пропитанные конденсаторы постоянной емкости, например цилиндрические, изготовляют намоткой лент бумаги толщиной 5—25 мкм, разделенных металлическими электродами. В качестве электродов (обкладок) обычно используют алюминиевую фольгу толщиной 6 мкм, но можно применить и оловянную или медную.
В зависимости от конструкции выводов различают два типа конденсаторов: с вкладными выводами (рис. 9.1, а) и с выступающей фольгой (рис. 9.1, б).
Рис. 9.1. Бумажные конденсаторы:
а – с вкладными контактами (скрытая фольга); б – с выступающей фольгой; 1 – фольга; 2 – бумага; 3 – вкладной контакт
Так как всякая бумага содержит проводящие электрический ток частицы угольной пыли, которые могут пронизать бумажный лист насквозь, особенно при малой толщине, как у конденсаторной бумаги, то между электродами укладывают два или больше слоев бумаги в соответствии с рабочим напряжением и другими параметрами конденсаторов.
Конденсаторная бумага гигроскопична и в состоянии поставки содержит 5 — 7% влаги. Поэтому после сушки секции подвергают вакуумной пропитке синтетическими жидкостями, минеральными маслами, воскообразными веществами или вазелином, чтобы заполнить пустоты между волокнами целлюлозы. Пропитка повышает диэлектрическую проницаемость, электрическую прочность бумаги.
При изготовлении металло-бумажных конденсаторов (рис. 11-2), как было сказано выше, на одну сторону бумажной ленты методом распыления или испарения в вакууме наносят алюминий или цинк.
Толщина слоя металла, нанесенного методом испарения, около 0,1 мк. По од ному краю ленты оставляют узкую неметаллизированную полосу, ширина которой зависит од рабочего напряжения конденсатора. При навивке секций свободные закраины двух металлизированных лент направляют в противоположные стороны, причем ленты немного сдвигают по отношению друг к другу в поперечном направлении. При рабочем напряжении до 200 в применяют однослойные конденсаторы, для более высоких напряжений прокладывают несколько слоев неметаллизированной бумаги.
На торцы секций для обеспечения их электрического контакта и припайки выводов наносят распылением слой меди.
Пленочные и металлопленочные конденсаторы. В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика служит органическая пленка, иногда — в сочетании с бумагой. Пленка обладает высокой механической прочностью и теплостойкостью; она в достаточной мере химически устойчива к веществам, используемым для герметизации конденсаторов. Применяют полистироловую, стирофлексную и полиэтиленовую пленки, а также майлар (полиэтилентерефталат).
Рис. 9.2. Конструкция цилиндрического металло-бумажного конденсатора:
1 — ленты металлизированной бумаги; 2 — закраины; 3 — секция конденсатора; 4 — металлический корпус;. 5 — место припайки выводного проводника к слою напыленного металла на торце секции; 6 — бумажный изолирующий колпачок; 7— место припайки крышки к корпусу; 8 — место запайки выводного проводника в крышку; 9 — крышка (стеклянная шайба с коваровой арматурой)
Конструкция пленочных конденсаторов не отличается от конструкций аналогичных бумажных конденсаторов. Выпускаются открытые и герметизированные, а также малогабаритные пленочные и металлопленочные конденсаторы.
Для работы в цепях постоянного тока применяют конденсаторы ПО (пленочные открытые), ПМ (полистирольные малогабаритные), ПОВ (пленочные открытые высоковольтные) и ПГТ (полистирольные герметизированные точные). Для работы в цепях постоянного и переменного токов предназначают конденсаторы ПКГТ (пленочные комбинированные герметизированные термостойкие), а в цепях постоянного и пульсирующего тока, а также в импульсных режимах — конденсаторы ФГИ (фторопластовые герметизированные термостойкие). В цепях постоянного, переменного и пульсирующего тока используют конденсаторы МПГ (металлопленочные герметизированные) и ФТ (фторопластовые термостойкие).
Полистирольные конденсаторы имеют исключительно высокое сопротивление изоляции и очень низкую диэлектрическую адсорбцию, в результате чего они способны запасать электрический заряд и полностью отдавать его по мере надобности. Это свойство используется и радиочастотных настроечных контурах, интегрирующих контурах, настроенных контурах с высокой добротностью и в цепях с высокой постоянной времени.
В процессе изготовления полистирольных конденсаторов, чтобы стабилизировать их емкость, секции, намотанные из пленки с обкладками алюминиевой фольги, подвергают термической обработке при нагреве выше температуры релаксации. При этом пленка дает усадку, плотно прилегая к обкладке, устраняются воздушные включения между пленном и обкладкой, а торцы секций спекаются. Все это улучшает стабильность параметров конденсатора. Изготовленные таким способом конденсаторы часто называют «запеченными». Для повышения электрической прочности конденсаторов полистирольную пленку наматывают в несколько слоев.
Очень важно создать хороший контакт между обкладкой и выводами из фольги. В ряде случаев для обеспечения надежного контакта вывод припаивают к обкладке.
Конденсаторы из политетрафторэтилена (фторопласта) обладают характеристиками, подобными полистирольным конденсаторам. Фторопласт — прекрасный нагревостойкий материал; его можно применять при температуре окружающей среды до 200° С.
Существуют два способа изготовления тонких конденсаторных пленок из этого материала: срезанием ленты с монолитного блока фторопласта и литьем из суспензии. Конденсаторы изготовляют, как и в предыдущих случаях, навивкой ленты с обкладками из фольги или металлизированной ленты. Объем конденсатора из металлизированного фторопласта примерно в 4 раза меньше объема конденсатора с обкладками из фольги при одинаковой конструкции при тех же номинальных значениях емкости и напряжения. Это очень важно, так как из-за сравнительно низкой диэлектрической проницаемости фторопласта конденсаторы обычно имеют небольшую удельную емкость.
Пропитка конденсаторов кремнийорганическими жидкостями улучшает электрическую прочность, но снижает сопротивление изоляции, увеличивает температурный коэффициент емкости, повышает диэлектрическую адсорбцию.
Слюдяные конденсаторы. В слюдяных конденсаторах диэлектриком служит высококачественная слюда, а обкладками — листки металлической фольги или тонкие слои серебра, наносимого на поверхность слюды методом вжигания или вакуумного распыления.
В зависимости от конструкции эти конденсаторы разделяют на две основные группы: герметизированные и защищенные от влаги компаундом или пропиткой. Применяют также и полную герметизацию конденсаторов с выводами через стеклянные проходные изоляторы.
Наиболее распространены конденсаторы типа КСО (конденсаторы слюдяные опрессованные) и КСГ (конденсаторы слюдяные герметизированные). Малогабаритные конденсаторы СГМ выпускают в керамических корпусах.
Все слюдяные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов. Благодаря малым потерям и высокому сопротивлению диэлектрика слюдяные конденсаторы используют главным образом в цепях высокой частоты, а также в качестве разделительных и переходных элементов.
Технологический процесс изготовления слюдяных конденсаторов состоит из следующих этапов.
Из слюды вырезают пластинки требуемого размера, которые помещают между обкладками из латунной, оловянной или медной фольги; полученный пакет стягивают обжимками, чтобы жестко закрепить фольгу.
Выводные контакты закладывают при сборке или присоединяют к фольге точечной сваркой. Листки фольги для обкладок одной полярности соединяют вместе. Для защиты от механических повреждений и частичной герметизации пакеты опрессовывают пластмассой. Опрессованные конденсаторы иногда пропитывают воскообразным веществом, заливают эпоксидной смолой или пропитывают компаундами.
Если требуется повысить стабильность конденсаторов и уменьшить их размеры, фольгу не применяют, а слюдяные пластинки серебрят с обеих сторон. Этот способ позволяет устранить воздушные зазоры между диэлектриком и обкладками, ухудшающие параметры конденсаторов. В этом случае выводы можно припаивать прямо к торцам пакетов, но обычно для улучшения контакта с посеребренными пластинками между ними вкладывают маленькие кусочки латунной фольги.
Емкость каждого конденсатора можно с высокой степенью точности подогнать к заданной величине, соскабливая небольшие участки обкладки.
Керамические, стеклянные и стеклоэмалевые конденсаторы. Керамические конденсаторы стали применять в радиоэлектронной аппаратуре сравнительно недавно. Однако они уже имеют важное значение. Такой конденсатор состоит в основном из керамической пластинки или трубки, снабженной обкладками из тонкого слоя металла, обычно из серебра, нанесенного методом вжигания. Керамические конденсаторы имеют очень малые потери на высоких частотах. Их широко используют в диапазоне ультракоротких волн (УКВ). У этих конденсаторов емкость с течением времени не изменяется.
При известных условиях (высоких температурах и быстрых изменениях давления) в керамических конденсаторах появляются пьезоэлектрические эффекты. Если керамический конденсатор приобрел пьезоэлектрические свойства, он будет ими обладать и в дальнейшем. Поэтому в таком конденсаторе могут самопроизвольно возникать напряжения, которые впоследствии оказываются источниками помех в схемах с низким отношением сигнала к помехе. Перенапряжения уменьшают срок службы керамических конденсаторов. По экспериментальным данным срок службы конденсаторов обратно пропорционален кубу напряжения. Керамические конденсаторы относительно хрупки, легко повреждаются при ударах и вибрациях.
Применяют различные конструкции керамических конденсаторов постоянной емкости — трубчатые, дисковые, опорные и проходные.
Характеристики каждого типа конденсатора могут быть различными в зависимости от используемого керамического материала, технологии производства и т. д. В зависимости от величины температурного коэффициента емкости (ТКЕ) керамические конденсаторы разделяют на шесть групп, каждая из которых имеет свой цвет окраски корпуса или маркировочной точки:
ТКЕ не нормируется Н (оранжевый)
(120 ± 30) • 10-6 С (синий)
(30 ± 30) • 10-6 Р (серый)
—(50 ± 30) • 10--6 М (голубой)
(700 ± 100) • 106 Д (красный)
(1 300 ± 200) • 10-6 К (зеленый)
Для работы в цепях постоянного и переменного тока в качестве контурных, разделительных и блокировочных элементов применяют конденсаторы КТМ (керамические трубчатые малогабаритные), КДМ (керамические дисковые малогабаритные), КТК (конденсаторы трубчатые керамические), КДК (конденсаторы дисковые керамические), КДУ (керамические дисковые ультракоротковолновые), КДС (керамические дисковые сегнетоэлектрические).
В цепях постоянного и пульсирующего тока (фильтрах) используют конденсаторы типа КОБ (керамические опрессованные бочоночные). В колебательных контурах, анодных, сеточных и фидерных цепях применяют разнообразные конденсаторы КВКТ (конденсаторы высоковольтные керамические трубчатые), а также КВКБ (конденсаторы высоковольтные керамические бочоночные).
Конденсаторы из керамики ' с малыми потерями и низкой диэлектрической проницаемостью обычно изготовляют в форме цилиндров или дисков, но иногда им придают также вид плоских пластинок прямоугольной формы.
Конденсаторы с малым углом потерь обычно изготовляют из стеатита (керамики на основе талька) с диэлектрической проницаемостью около 8. Если используют трубчатые керамические заготовки, то их внутреннюю и внешнюю поверхности металлизируют, нанося серебряную пасту кисточкой с последующим вжиганием. Реже применяют погружение трубки, защищенной экранами, в жидкую пасту.
Серебряную пасту вжигают при температуре 700—800° С. Если процесс серебрения проводят недостаточно тщательно, то может ухудшиться ТКЕ.
Конденсаторы из керамики со средним значением диэлектрической проницаемости изготовляют в основном из двуокиси титана (ТiO3) или из ее производных — титанатоп щелочноземельных металлов (МТiO3). При изготовлении конденсаторов ЭТОГО тина, кроме обычных методов производства керамических изделий с применением окислительной среды, пользуются частичным восстановлением; при этом необходимо более тщательно контролировать температуру.
Для изготовления конденсаторов с высокой удельной емкостью применяют смесь окислов бария и титана, эквивалентную титанату бария (ВаТЮ4), с высокой диэлектрической проницаемостью (около 1 000—5 000 и выше). Этот состав резко отличается по своим свойствам от титановой керамики, которая имеет среднюю величину диэлектрической проницаемости.
Стеклянные конденсаторы имеют широкий диапазон рабочих температур (от —55 до +200° С), низкий коэффициент мощности, высокое сопротивление изоляции и более высокую электрическую прочность по сравнению, например, со слюдяными, особенно при повышенных температурах. Изменение емкости при колебаниях температуры у таких конденсаторов обратимо или циклично, а ТКБ очень мал.
Применяются два способа изготовления стеклянных конденсаторов, которые применяют в зависимости от масштабов выпуска. В обоих случаях гибкую стеклянную ленту получают непрерывным выдавливанием. В дальнейшем технологический процесс ведут по двум схемам:
стекло нарезают на пластинки заданного размера, которые, чередуя с листами фольги, набирают вручную в многопластинчатые секции; i
стеклянную лепту и рулонную фольгу подают на автомат для механизированной сборки секций.
В процессе сборки стеклянных пластинок и листков металлической фольги разнополярные обкладки сдвигают в противоположные стороны, за пределы стеклянной ленты. Выводы присоединяют к обкладкам точечной сваркой выступающих краев фольги с серебряной или луженой медной проволокой.
Собранную секцию помещают между двумя стеклянными пластинками увеличенной толщины, размеры которых достаточны, чтобы перекрыть секцию со всех сторон. Затем эту секцию помещают в печь, где она спекается в монолитный блок.
Электролитические конденсаторы. В конденсаторах этого типа в качестве диэлектрика используют тонкий слой оксидной пленки, нанесенной на алюминиевую или танталовую фольгу; вторым электродом является электролит. Эти конденсаторы отличаются самой высокой удельной емкостью и наименьшей стоимостью.
Электролитические конденсаторы предназначены для работы в цепях с пульсирующим током для отфильтровывания переменных напряжений. В нормальном рабочем режиме они имеют постоянный незначительный ток утечки, который мри перегреве конденсаторов может повышаться до недопустимых значений, выводя конденсатор из строя. Емкость электролитических конденсаторов значительно снижается при понижении рабочей температуры.
Выпускаются конденсаторы типа КЭ (конденсаторы электролитические), которые по способу крепления изготовляют в двух вариантах (КЭ-1аи КЭ-16); ЭГЦ (электролитические герметизированные цилиндрические), выполняемые также в зависимости от способа крепления в двух вариантах. Потребность в малогабаритных конденсаторах привела к появлению конденсаторов типа ЭМ (электролитические миниатюрные), выпускаемых в цилиндрическом корпусе.
Особую группу малогабаритных конденсаторов образуют танталовые конденсаторы ЭТО (электролитические танталовые объемно-пористые). Аноды таких конденсаторов изготовляют из порошка методом спекания. На полученном пористом аноде при использовании жидкого электролита резко увеличивается фактическая площадь электрода.
Танталовые конденсаторы при тех же рабочих температурах имеют меньшие размеры и вес, их легче применять на больших высотах, они меньше подвержены влиянию вибрации и влажной атмосферы, имеют малый ток утечки (5—10 мка) и небольшое уменьшение емкости с течением времени, обладают низкой индуктивностью.. Срок службы оксидного слоя сравнительно высок. Электролитические конденсаторы изготовляют из двух лент фольги: оксидированной и неоксидированной, между которыми помещают прокладку из бумаги или ткани, пропитанную электролитом.
Основным процессом их изготовления является образование диэлектрической оксидной пленки на металлической поверхности электрохимическим способом. Металл, на который наносится оксидная пленка, служит анодом (положительным электродом) конденсатора; оксидная пленка является диэлектриком, а катодом (отрицательным электродом) служит электролит. Электрический контакт между электролитом и оксидной пленкой осуществляется через промежуточный слой фольгированного металла.
Если в качестве электрода используется алюминиевая фольга, ее поверхность бывает гладкая или травленая. Травление увеличивает площадь поверхности электрода, что позволяет увеличить емкость при том же объеме. Фольгу подвергают электрохимической обработке для получения пленки окиси алюминия. Эта пленка чрезвычайно тонка. Она имеет диэлектрическую постоянную = 7 ÷ 10 и эквивалентную электрическую прочность в 10 Мв/см. Эту операцию называют формованием электрода конденсатора.
Толщина образующейся оксидной пленки зависит от напряжения на зажимах гальванической ванны. Рабочее напряжение конденсатора всегда несколько ниже, чем напряжение формования. Чем тоньше пленка, тем большую емкость конденсатора можно получить в корпусе данного размера и тем ниже будет его рабочее напряжение.
Между лентами оксидированной и неоксидированной оксидной фольги помещают бумажные прокладки. Это делается дли того, чтобы предотвратить возможность короткого замыкания между анодной и катодной лептами, которое может произойти из-за шероховатости поверхности фольги и наличия заусенцев на краях ленты. Кроме того, бумага впитывает электролит и, таким образом, обеспечивает равномерный и плотный контакт со всей поверхностью травленой анодной ленты в течение всего срока службы конденсатора. Катодная лента служит исключительно для обеспечения электрического контакта с электролитом, который по существу и является катодом электролитического конденсатора. Затем ленту фольги с бумажными прокладками свертывают в виде цилиндра, помещают в корпус, пропитывают и герметизируют. Выводы делают от обеих лент фольги.