Пленочный конденсатор

 

Содержание

1 Введение…………………………………………………………………………… 3

2 Типы конденсаторов, область применения…………………………………… ..4

2.1 Основные характеристики конденсаторов…………………………………….5

3 Влияние внешних факторов на электрические свойства конденсаторов……...9

3.1 Влияние излучений на работу конденсатора…………………………………..9

3.2 Механические воздействия…………………………………………………….11

3.3 Методы защиты от действия влажности……………………………………...12

3.3.1 Влагозащита с применением органических диэлектриков………………12

3.3.2 Влагозащита с применением неорганической изоляции и металла……14

4 Пленочные конденсаторы……………………………………………………….17

4.1 Конструкции пленочных конденсаторов……………………………………..17

4.2 Материалы обкладок…………………………………………………………...18

4.2.1 Обкладки из фольги………………………………………………………….19

4.2.2 Металлизация диэлектрика…………………………………………………22

4.3 Синтетические пленки, применяемые в конденсаторостроении……………24

5 Расчет пленочного  конденсатора……………………………………………….32

6 Заключение………………………………………………………………………..38

Список используемой литературы………………………………………………...39

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

     Конденсаторы являются одним из наиболее массовых радиоэлементов. Их область применения в различных устройствах весьма разнообразна: это температурная компенсация параметров схем, задержка импульсов, фильтрация и блокировка переменных токов, создание мощных импульсов тока, связь между отдельными каскадами и многое другое. Конденсаторы являются также неотъемлемой часть колебательного контура. В связи с таким широким схемным применением потребность в конденсаторах все увеличивается.

Ранее электрическим конденсатором  называли систему из двух или более  проводников (обкладки), разделенных  диэлектриком и предназначенной  для использования её электрической  емкости. Говоря о конденсаторах  сейчас надо иметь в виду, что  в качестве обкладок могут быть не только металл или электролит, а  также и полупроводник, а запорный слой на границе p-n перехода может служить диэлектриком.

В данной курсовой работе особое внимание уделяется пленочным конденсаторам.  В таких конденсаторах в качестве диэлектрика используются материалы, состоящие из длинных полимерных молекул, позволяющих изготовлять  тонкие пленки в рулонной форме, используя  для этого  различные технологические  приемы. Из таких пленок  можно  изготовлять конденсаторы, подобные бумажным по конструкции, но отличающиеся улучшенными электрическими свойствами или повышенной нагревостойкостью.  Эти конденсаторы применяются как в низкочастотных, так и в высокочастотных цепях, в качестве конденсаторов связи, блокировочных и разделительных. В этой работе будут подробно рассмотрены особенности конструктивного исполнения данного типа конденсаторов, выбор диэлектрических материалов, также материалов обкладок, способы защиты и область применения. Также по заданным параметрам будет произведен полный расчет пленочного конденсатора.

 

2 Типы конденсаторов, область применения

     В конденсаторостроении применяется большое количество диэлектриков с различными механизмами поляризации, диэлектрическая проницаемость которых имеет значения от единицы до десятков тысяч. Диэлектриком в пленочных конденсаторах служат высокомолекулярные вещества: синтетические пленки, которые представляют собой твердые органические соединения. Пленочные конденсаторы можно разделить на два типа:

1. Конденсаторы с диэлектриком из неполярных синтетических пленок (полистирольные, полипропиленовые, фторопластовые и т.д.);
2. Конденсаторы с диэлектриком из полярных синтетических пленок (лавсановые, поликарбонатные и т.д.).

При заданном типе диэлектрика  конденсаторы можно классифицировать дополнительно по тому режиму работы, для которого предназначается данный конденсатор. Различают следующие  основные режимы работы:

1. При постоянном или выпрямленном напряжении.
2. При переменном напряжении технической частоты, 50 Гц.
3. При звуковых частотах, 100-10000 Гц.
4. При радиочастотах, 0,1-100 МГц.
5. При импульсных режимах (при единичных импульсах или при повторяющихся импульсах постоянной или переменной полярности).

В каждом из этих случаев  различают конденсаторы низкого  и высокого напряжения (низковольтные  и высоковольтные). При переменном напряжении различают конденсаторы большой и малой мощности.  Также можно разделить конденсаторы по функциональному назначению –  на помехоподавляющие (в том числе  проходные), силовые (фильтровые, сглаживающие, снабберные, косинусные) и др.

Область применения пленочных  конденсаторов весьма обширна. Пленочные конденсаторы применяются как  в низкочастотных, так и в высокочастотных цепях, в качестве конденсаторов связи, блокировочных и разделительных. Также пленочные конденсаторы применяются в измерительной технике и в счетно-решающих устройствах.

Внешний вид некоторых  типов пленочных конденсаторов представлен на рисунке 2.1.

 

 

 

 

 

Рис 2.1 - Пленочные конденсаторы.

2.1 Основные параметры  конденсаторов

     Номинальная емкость и допускаемые отклонения. Емкость,  маркированная на конденсаторе, указывает её номинальную величину.  Конденсаторы из неполярных пленок выпускаются на номинальные емкости от 100 пФ до 100 мкФ (низковольтные), от 120 пФ до 0,1 мкФ (высоковольтные); из полярных пленок выпускаются с диапазоном емкостей от 1000 пФ до 15 мкФ (низковольтные), от 5100 пФ до 4 мкФ (высоковольтные).

Сопротивление изоляции конденсатора. Сопротивление изоляции конденсатора - сопротивление, оказываемое конденсатором прохождению постоянного тока. Сопротивление изоляции конденсаторов большой емкости определяется в основном током утечки через толщу диэлектрика, а потому зависит от удельного объемного сопротивления диэлектрика ,  от площади обкладки S и от толщины диэлектрика d:

 

где – в Мом, – в омсм, d – в см и S – в

Для конденсаторов малой  емкости сопротивление изоляции обусловлено не только объемным сопротивлением диэлектрика , но и поверхностным сопротивлением , определяемым утечкой по закраинам конденсаторных секций, по поверхностям выводных изоляторов и т. п.:

 

     Электрическая прочность. Электрическая прочность характеризуется величиной пробивной напряженности , представляющее собой отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика d:

 

Различают кратковременную  и длительную электрические прочности. Для оценки электрической прочности конденсаторов применяют следующие значения напряжения:

     Номинальное напряжение конденсатора   - максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать в заданном диапазоне температур в течение гарантированного срока службы. При работе конденсатора под более высоким напряжением понижается надежность и сокращается срок службы.

Испытательное напряжение – максимальное напряжение, при котором конденсатор может находиться, не пробиваясь, небольшой промежуток времени – от нескольких секунд до нескольких минут. Это напряжение характеризует электрическую прочность конденсатора при кратковременных нагрузках.

     Пробивное напряжение –  минимальное напряжение, при котором конденсатор пробивается. Оно всегда выше испытательного. Очевидно, что чем больше пробивное напряжение конденсатора, тем выше его надежность.

Тангенс угла потерь. Потери конденсатора оцениваются тангенсом угла потерь . У конденсаторов с диэлектриком из неполярных пленок тангенс угла потерь практически не зависит от частоты, но для полярных пленок, в соответствии с природой их поляризации, угол потерь резко возрастает с частотой, проходя через максимум при некотором её значении (рисунок 2.1.1)

 

 

 

 

 

 

Рис 2.1.1 - Зависимость угла потерь синтетических пленок от частоты при . 1 –           неполярная пленка; 2-5 – полярные пленки (2 – ПК, 3 – ПЭТФ, 4 – каптан, 5 -5 ТАЦ)

     Конденсаторы, предназначаемые к применению к применению в цепях высокой частоты, кроме того, характеризуются предельно допустимой реактивной мощностью, температурным коэффициентом емкости, и собственной индуктивностью.

Температурная зависимость  емкости конденсаторов характеризуется  величиной температурного коэффициента емкости (ТКЕ):

 

     Характер зависимости емкости конденсатора от температуры определяется характером температурной зависимости ε диэлектрика, разделяющей обкладки,  т. е. величиной и знаком температурного коэффициента . Кроме того, зависимость емкости от температуры может быть обусловлена также особенностями конструкции конденсатора и изменениями его размеров при нагревании. Температурное расширение обкладок приводит к увеличению емкости, а увеличение толщины диэлектрика – к уменьшению емкости. Таким образом,  ТКЕ можно вычислить по формуле:

 

где – температурные коэффициенты изменения диэлектрической проницаемости, активной площади и толщины диэлектрика.

      Индуктивность конденсаторов и полное сопротивление. Под  полным сопротивлением конденсатора понимают сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определённой частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с ёмкостью также активного сопротивления и индуктивности:

 

где z и r – в Ом, L – в Гн, и C – в Ф.

Предельная реактивная мощность. Реактивная мощность конденсатора определяется по формуле:

 

При наличии на конденсаторах  достаточно большого переменного напряжения высокой частоты необходимо принимать  во внимание реактивную мощность для  избегания перегрева и выхода их из строя.

 

 

 

  

 

  3 Влияние внешних факторов на электрические свойства конденсаторов

3.1 Влияние излучений на работу конденсаторов

     Новым требованием к качеству конденсаторов в связи с их применением в устройствах атомной энергетики и космической электроники является требование об устойчивости в условиях воздействия различного рода излучений. Обычно рассматривается вопрос о воздействии на конденсаторы гамма-излучения (электромагнитные колебания с частотой Гц) или потока нейтронов (тепловых, или медленных, с энергией порядка 0,025 эВ, а также быстрых, с энергией порядка 1 МэВ).  В космосе можно также встретиться с потоком протонов.

При воздействии различного рода излучений  приходится, прежде всего, сталкиваться с изменением проводимости диэлектрика, возрастающей за счет появления в  диэлектрике свободных электронов. На рисунке 3.1.1 показано изменение проводимости, вызванное воздействием дозы гамма-излучения в виде прямоугольного импульса.

 

 

 

 

 

 

Рис 3.1.1 Изменение проводимости диэлектрика во времени при воздействии прямоугольного импульса гамма-излучения

     На участке графика Б наведенная проводимость достигает установившегося значения, величина которого при постоянстве температуры определяется следующим выражением:

 

где - эмпирические постоянные.

     В таблице 3.1.1 приведены значения этих постоянных для некоторых неполярных и полярных материалов:

Таблица 3.1.1 – Значения постоянных для некоторых материалов

Материал
Полипропилен	0,88	3,8
Полистирол	0,97	4,0
Политетрафторэтилен	1,0
Полиэтилен	0,74

 

 

 

 

 

     Зависимость наведенной проводимости от интенсивности комбинированного импульсного облучения гамма-излучения и потоком нейтронов характеризуется формулой:

 

где , как показывает опыт, больше чем .

Эффективность воздействия  облучения нейтронами (на единицу  дозы – рад/сек) по сравнению с  гамма-лучами, в отношении наведенной проводимости для полистирольных конденсаторов  составляет – 0,23 от эффективности гамма-лучей. Некоторые значения коэффициентов  и для различных конденсаторов приведены в таблице 3.1.2 (измерения проводились при температуре 25).

 

 

 

 

Таблица 3.1.2 – Значения коэффициентов  и для некоторых конденсаторов

Тип конденсатора	Емкость, мкФ			Пределы изменения дозы
Майларовый металлизированный	0,2-0,1	1,2	2,5	5
Майларовый	3	1,3	8,4	3
Майларовый фольговый	0,01-0,1	1,2	1,0	5
Полистирольный	1,0	0,97	3,1	5

 

     Приведенные здесь данные показывают, что приращение проводимости, вызванное излучением, происходит примерно пропорционально интенсивности излучения. В этих условиях наилучшим оказался материал майлар, как при металлизированных, так и при фольговых обкладках. Значения дозы облучения, достаточной для полного разрушения диэлектриков составляют: для полистирола – 1,6, для лавсана -  8,0. Также при воздействии облучения на конденсаторы надо учитывать, что помимо изменения проводимости диэлектрика, может сказываться нагрев конденсатора за счет поглощения энергии излучения. Этот нагрев может увеличить потери и изменить емкость, а также привести к дополнительному увеличению проводимости диэлектрика. Наименьшее нагревание происходит для металлов с наименьшей плотностью, в частности, для алюминия, который и выбирают для изготовления обкладок конденсаторов с повышенной устойчивостью к излучениям.