Основные параметры постоянных конденсаторов

1. Номинальное значение емкости конденсатора.

2. Допускаемое отклонение действительной емкости от номинального значения (в %).

3. Тангенс угла потерь или добротность Q(Q=l/tgd).

4. Ток утечки (в основном для электролитических конденсаторов).

5. Сопротивление изоляции или постоянная времени саморазряда.

6. Температурный коэффициент емкости.

7. Номинальное напряжение.

Переменные и подстроечные конденсаторы выполняются с механически или электрически изменяемой емкостью.

В конденсаторах с механически изменяемой емкостью одна группа пластин или пластина перемещается относительно других пластин или пластины, составляющих обкладки кон­денсатора. При этом может меняться или взаимное перекрытие пластин, или расстояние между ними. На практике в основном используют изменение взаимного перекрытия пластин. При этом легко получить линейное (рис. 1.8,6) или функциональное изменение емкости—в зависимости от перемещения подвижной части. Чаще всего применяют вращательное движение и одну обкладку конденсатора выполняют в виде ротора, а другую— статора (рис. 1.8, в). Известны также конструкции с линейно перемещающимися пластинами обкладок.

Промышленность выпускает переменные и подстроечные конденсаторы с воздушным, твердыми неорганическими (керамическими, слюдяными) и органическими (полистироловыми, полиэтиленовыми и т. д.) диэлектриками. При введении диэлектриков в зазор между подвижными и неподвижными обкладками конденсатора существенно увеличивается емкость и снижаются габаритные размеры. Однако при этом не удается избежать воздушных зазоров, значения которых не остаются стабильными. Поэтому при каждой новой установке ротора в одно и то же положение значения емкости несколько отличаются от предыдущих. Конденсаторы с твердым диэлектриком чаще всего используют в качестве подстроечных. Воздушные конденсаторы обычно применяют в тех цепях, в которых требуется хорошая повторяемость значений емкости.

Переменные и подстроечные конденсаторы различаются в основном конструктивным выполнением. Переменные конденсаторы имеют ручку, с помощью которой вращается подвижная часть. Их конструкция рассчитана на долговремен­ную работу в режиме вращения ротора. У подстроенных конденсаторов подвижная часть, как правило, имеет шлиц для ее вращения отверткой и конструкция подвижной части упрощена. Она не рассчитана на долговременную работу в режиме вращения.

Максимальные значения емкости, которые можно получить у переменных конденсаторов, как правило, не превышают значений 600—5000 пФ, при этом воздушные зазоры между подвижными и неподвижными пластинами порядка 0,1— 0,25 мм. Закон изменения емкости зависит от геометрической формы пластин.

Для переменных и подстроечных конденсаторов важны максимальная Сmах и минимальная Сmin емкости, коэффициент перекрытия по емкости А = Сmах / Сmin и закон изменения емкости.

Кроме линейных конденсаторов некоторое распространение в электронике получили нелинейные конденсаторы, у которых емкость зависит от напряженности электрического поля и соответственно статические значения емкости. Нелинейные конденсаторы, выполненные на основе сегнетоэлектриков (керамических диэлектриков со спонтанной поляризацией), получили название варикондов. Нелинейные конденсаторы на основе использования свойств р-n-перехода называют варикапами.

Для керамических материалов, называемых сегнетоэлектриками (титанат бария, стронция, кальция и т.д.), характерны высокие значения относительной диэлектрической проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности электрического поля (рис. 5) и температуры. Емкость конденсаторов с такими диэлектриками зависит от напряжения, приложенного к ним.

При практическом применении в основном используется зависимость дифференциальной емкости C_d = dQ/dU, где Q- заряд, а U- напряжение на конденсаторе, от значения приложенного напряжения. Так, например, если вариконд включить в цепь резонансного LC контура, то его резонансная частота при малой амплитуде колебаний

f_рез = 1/2π(L C_d)^1/2

Изменяя постоянное напряжение на вариконде с помощью источника, имеющего высокое внутреннее сопротивление (необходимо для того, чтобы источник не шунтировал конденсатор и индуктивность по переменной составляющей), можно управлять резонансной частотой контура (рис. 6).

Для нелинейных конденсаторов вводят понятие эффективной емкости

C_эф =Q/U.

Эффективная емкость — это емкость такого линейного конденсатора, заряд которого Q при максимальном напряжении U равен заряду нелинейного конденсатора при том же напряжении.

Рис. 7. Условное обозначение конденсаторов:

а – постоянной емкости; б – электролитический полярный; в – переменной емкости; г – подстроечный; д – вариконд; е – дифференциальный; ж - многосекционный

1.3. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Катушки индуктивности, за исключением дросселей, предназначенных для использования в цепях питания, не являются комплектующими изделиями, как, например, резисторы и конденсаторы. Они изготовляются на сборочных заводах и имеют те параметры, которые необходимы для конкретных изделий.

Катушки индуктивности, как правило, имеют цилиндрическую или спиральную форму витков и выполняются как однослойными, так и многослойными. Характер намотки зависит от назначения катушки индуктивности. Так, для уменьшения межвитковых емкостей витки укладывают на каркас с определенным шагом или применяют специальные способы намотки, когда витки укладываются не параллельно, а под некоторым углом друг к другу (универсальная намотка).

Для увеличения значений индуктивности и повышения их добротности широко применяют магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами.

Рис. 1.12. Магнитопроводы катушек индуктивности: а – броневой; б – тороидальный; 1,2 – чашки броневого магнитопровода; 3 – подстроечный сердечник

Наиболее распространенные формы магнитопроводов—броневая и тороидальная (рис. 1.12, а, б). Регулирование параметров магнитопровода осуществляют с помощью подвижного сердечника 3 (рис. 1.12, а), который выполняют из ферромагнитного материала. При его перемещении меняются параметры магнитопровода и индуктивность катушки. В ряде случаев для подстройки катушек индуктивности внутрь их вводят только один подстроечный сердечник из ферромагнетика или диамагнетика. Диамагнетики (латунь, медь) используют только на высоких частотах (десятки—сотни МГц). В отличие от ферромагнетика при их введении индуктивность катушки уменьшается.

В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до 1 кГц), в качестве магнитопроводов обычно используют пермаллои. При этом магнитопровод, как правило, тороидальный, собранный из тонких колец (А =0,002—0,1 мм) или навитый из ленты тех же толщин. На более высоких частотах (до нескольких МГц) широко применяют ферриты, причем их марка зависит от диапазона рабочих частот. На частотах свыше нескольких МГц используют катушки индуктивности, имеющие только подстроечные сердечники или вообще не имеющие их.

Для проведения электрических расчетов используют одну из эквивалентных схем, приведенных на рис. 1.14, а, б. В них учтены активное сопротивление провода Rпр, индуктивность L, потери в магнитопроводе Rпот и емкость С. С помощью эквивалентной емкости С учитывают наличие межвитковых емкостей, емкости выводов катушки, емкости отдельных витков относительно окружающей его арматуры.

Рис. 1.14. Упрощенные эквивалентные схемы катушек индуктивности: а – сопротивление потерь включено параллельно с индуктивностью; б – сопротивление потерь включено последовательно с индуктивностью

Важнейшим параметром катушки индуктивности является добротность, которая равна отношению мнимой части Х ее полного сопротивления к действительной части R: Q=X/R.

Значение добротности зависит от частоты. Если ферромагнитный магнитопровод отсутствует, а емкость С достаточно мала, то добротность зависит от соотношения между индуктивностью L и активным сопротивлением провода R пр и увеличивается при повышении частоты. Однако на частотах порядка нескольких МГц из-за проявлений поверхностного эффекта активное сопротивление провода увеличивается и добротность снижается.

Для снижения Rпр обмотки катушек стремятся наматывать достаточно толстым проводом (излишне большой диаметр может привести даже к увеличению Rпр на высоких частотах из-за проявления эффекта близости), применять специальный многожильный провод (литцендрат). Магнитопроводы и сердечники выбирают с малыми потерями на вихревые токи и гистерезис.

Для уменьшения емкости катушки изготовляют секционированными, по возможности разносят витки с максимальной разностью потенциалов, уменьшают объем диэлектрика в электрическом поле катушки (например, используют каркасы со специальными проточками), экраны располагают дальше от обмотки.

Температурные изменения индуктивности катушек без ферромагнитных сердечников сравнительно невелики и зависят от стабильности геометрических размеров. При наличии ферромагнитных сердечников необходимо учитывать температурный коэффициент магнитной проницаемости, который у разных материалов лежит в пределах 0,005—1%/°С.

Одна из разновидностей катушек индуктивности носит название дросселей.Их основное назначение—обеспечить большое сопротивление для переменных токов и малое для постоянных или низкочастотных токов.

Различают дроссели низкой и высокой частот. Дроссели низкой частоты используются в выпрямительных устройствах для создания фильтров, сглаживающих пульсации. Их применяют тогда, когда источник питания должен отдавать большой ток (амперы—сотни ампер) и требуется получить малые пульсации постоянного напряжения. Дроссель низкой частоты наматывается аналогично силовым трансформаторам с использованием тех же магнитопроводов. Его основное отличие от трансформаторов заключается в том, что в магнитной цепи магнитопровода делается воздушный зазор h =0,05— 0,1 мм. Наличие его предохраняет магнитную цепь от насыщения постоянным током, значения которого достаточно велики, так как дроссель включают в цепь последовательно с сопротивлением нагрузки. Индуктивность и активное сопротивление дросселей низкой частоты рассчитывают исходя из параметров, которые необходимо получить у источника питания. При этом всегда необходимо знать значение постоянного тока нагрузки.

Дроссели низкой частоты выпускаются серийно. Их обозначения: Д1 —Д274—дроссели унифицированные, низкочастотные; Д, Др—дроссели фильтров для бытовой радиоаппаратуры. В ряде случаев они имеют две обмотки: основную и компенсационную. Компенсационная обмотка при необ­ходимости может соединяться последовательно с основной согласно или встречно. При согласном соединении (начало компенсационной с концом основной) индуктивность дросселя увеличивается, при встречном (концы или начала соединены вместе) — уменьшается.

Дроссели высокой частоты используют в высокочастотных электронных цепях, где пропускают токи только относительно низких частот. Они представляют собой катушки индуктивности, намотанные внавал или с определенным шагом на диэлектрический каркас. При этом стремятся, чтобы их емкость была минимально возможной, а индуктивность—не менее требуемой.

Основные параметры катушки индуктивности (ГОСТ 20718—75)

1. Номинальная индуктивность катушки (значение индуктивности, являющееся исходным для отсчета отклонений).

2. Допускаемое отклонение индуктивности катушки (разность между предельным и номинальным значениями индуктивности).

3. Номинальная добротность катушки индуктивности (значение добротности при номинальном значении индуктивности).

4. Эффективная индуктивность (значение индуктивности, определенное с учетом влияния собственной емкости, собственной индуктивности и изменения начальной проницаемости сердечника).

5. Начальная индуктивность (значение индуктивности, определенное на низкой частоте, где отсутствует влияние собственной емкости).

6. Температурный коэффициент индуктивности катушки (TKL) — отношение относительного изменения индуктивности DL/L к интервалу температур, вызвавшему это изменение:

TKL = (1/L)

7. Температурная нестабильность индуктивности катушки (относительное изменение индуктивности, вызванное изменением температуры).

8. Температурный коэффициент добротности (ТКД)—отношение относительного изменения добротности DQ/DT к интервалу температур DT, вызвавшему это изменение:

TKQ = (1/Q)

9. Собственная емкость катушки индуктивности (электрическая емкость) составляющая с ее индуктивностью резонансный контур, измеренная на частоте собственного резонанса.

10. Рабочий диапазон температур (максимальная и минимальная температуры).

Для дросселей, используемых в цепях питания, важны:

1) ток подмагничивания; 2) индуктивность L; 3) сопротивление обмотки дросселя постоянному току.