Конденсатор

Конденсаторы являю тся непременным элементом любых электронных с хем , от простых до самых сложных . Тру дно себе представить какую бы то ни б ыло электронную схему , в которой не исполь зуются конденсаторы . За два с половиной ве ка своего существования они весьма значительн о изменили свой облик и сегодня отвечают всем требованиям передовой технологи и . Некоторые конденсаторы стоят не больше рубля , но их производство в мировом масшта бе исчисляется миллиардами долларов. Принципы изготовления конденсаторов стали известны еще 250 лет назад , когда в 1745 г . в Лейдене немецкий физик Эваль д Юр ген фон Клейст и нидерландский физик Пите р ван Мушенбрук создали первый конденсатор - "лейденскую банку " - в ней диэлектриком были стенки стеклянной банки , откуда и возникл о название . Эти принципы не изменились до сих пор , однако совершенствование тех н ологий и применение новых материалов позволили значительно улучшить конструкцию кон денсаторов . Суммарный заряд , который мог накап ливаться в лейденской банке емкостью 1 литр , теперь можно "уместить " в устройстве размер ом не больше булавочной головки . За по с ледние 30 лет размеры конденсаторов уменьшались столь же быстро , сколь быстро происходила миниатюризация в электронике . Ведь легко можно вспомнить как еще 15 – 20 ле т назад компьютеры (ЭВМ ) были настолько ог ромными , что занимали целые залы . Сейчас ж е , мин и атюрный компьютер с легкост ь умещается у нас на ладони , хотя его производительность в десятки раз выше. Мало кому известно , что на ш великий электротехник Павел Николаевич Ябло чков , изобретший дуговую лампу особой констру кции , одновременно занимался разрабо ткой и использованием конденсаторов и достиг выдаю щихся результатов . Основные работы по конденс аторам отражены в его публикациях (докладах и патентах ) 1877 – 1880 гг . Так , во французском патенте № 120684, выданном П.Н . Яблочкову 11 октяб ря 1877 г ., речь и д ет о лейденских банках и «конденсаторах особых типов» . Дл я примера на рис .1 представлена батарея ле йденских бутылок с проводящей жидкостью . Из бутылок выступают стержневые выводы , соединенны е между собой . От сосуда отходит другой общий вывод. В этом патенте для нас на ибольший интерес представляют «конденсаторы особ ых типов» в виде стопки (блока ) металличес ких пластин (или полос ок фольги ) с находящимися между ними изоляционными слоями (пластинами ), при этом четные металлические пла стины (полоски фольги ) соединены между собой общим проводником , а нечетные другим (рис . 2). П.Н.Яблочков указывает , что такие блоки мож но соединять др у г с другом па раллельно или последовательно . Блочная (пакетная ) конструкция , предложенная им , впоследствии нашл а широкое применение. В конце 1877 года и в начале 1878г . П .Н.Яблочков демонстрировал конденсаторы , предназначавш иеся для его системы электрического освещения . Они представляли собой свернутые в рулон листы оловянной фольги , разделенные слоями пластыря и гуттаперчи . В реферате док лада П.Н.Яблочкова отмечалось , что такие конден саторы «позволяют получать в небольшом объеме громадные электрические мощности». В дополнении от 12 октября 1878 года цитиро ванному выше патенту № 120684 Павел Николаевич Яблочков заявляет свои пра ва на «м еталлические листки , покрытые изолирующим веществ ом , специально в целях устройства конденсатор а посредством погружения таких изолирующих пл астин в жидкость , содержавшуюся в резервуаре». Можно предположить , что П.Н . Яблочков в след за А.Вольтой , кото рый изобрел лак опленочный конденсатор , покрывал пластинки или фольгу лаком . Предложенная Яблочковым конденсат орная обкладка в виде проводящей жидкости повышает электрическую прочность и емкость конденсатора , обращая на пользу неровность покрытия . Этой иде е й П.Н.Яблочков п редвосхитил конструкцию оксидного (электролитического ) конденсатора , запатентованного вскоре после его смерти. Напомним , что в оксидном конденсаторе диэлектриком служит оксидный слой , образующийся при электролизе на поверхности металла , кот орый является одной обкладкой , при это м другой обкладкой служит электролит , необход имый для существования оксидного слоя . Толщин а оксидного слоя при небольших напряжениях меньше микрометра , благодаря чему у оксидны х конденсаторов рекордные удельные и абсо л ютные емкости. Работы П.Н.Яблочкова по конденсаторам отно сятся к тому периоду времени , когда только начиналось их промышленное применение в телеграфии . Яблочков одним из первых включил конденсатор в цепь переменного (по русско й терминологии того времени – перемежа ющегося ) тока . Изучение работы конденсатора на переменном токе имело важнейшее значение для становления и развития электротехники , а в последствии и радиотехники. Сейчас существует множество видов и р азновидностей конденсаторов . Но в основе свое й о ни все повторяют простейший конден сатор , который образуют две металлические пла стины , изолированные одна от другой (рис .3). Чаще всего пластины называют обкладками , а изолирующий слой – диэлектриком. Миниатюризация - основное направление в со вершенствовании конструкции конденсаторов , поскольку от этого зависит дальнейшее уменьшение р азмеров интегральных схем . Существуют две наи более распространенные конструкции конденсат оров : одна основана на использовании хрупких керамических слоев толщиной 0,002 см и меньш е , а в основе другой лежит технология , позволяющая "сворачивать " плоские структуры площад ью с газетный лист в объемные кон с трукции размером с кусок сахара . Чтоб ы понять теоретические основы этих технологий , вернемся к самым первым конденсаторам. Прообразом современных конденсаторов , как уже было сказано , была лейденская банка . В 1746 г . ее усовершенствовал английский ученый , а строном и физик Дж . Бевис . Лейденск ая банка представляет собой стеклянный сосуд , внутренняя и наружная поверхность которого покрыты двумя листами фольги . Через резин овую пробку в сосуд вставлен металлический стержень так , что он касается внутреннего листа фольги . Внутренний и наружный листы фольги , в обычных условиях имеющие нейтральный заряд , играют роль электродов , если их подсоединить к внешнему источнику электрических зарядов. Источником зарядов может быть электрическ ая батарейка , генератор или простая эбон итовая палочка , потертая о шерсть или мех . Если такой палочкой , несущей в себе с вободные электроны , коснуться металлического стер жня в горлышке сосуда , электроны перетекут с палочки на внутренний электрод . Таким образом отрицательный заряд будет перен е сен на внутренний электрод . Поско льку способность накапливать заряды у сосуда ограничена их взаимным отталкиванием , их переход на электрод не может быть бесконе чным . Способность накапливать или удерживать заряды называется емкостью. В лейденской банке емко сть увелич ивается благодаря наличию второго электрода н а внешней стенке сосуда . Если этот электро д заземлить , то заряд , накопленный на внут реннем электроде , будет притягивать из земли такой же по величине заряд противоположн ого знака . Накопленный на наруж н ом электроде положительный заряд притягивает на ходящиеся на внутреннем электроде отрицательно заряженные электроны , частично нейтрализуя силы отталкивания , сдерживающие накапливание электрон ов . Благодаря этому емкость сосуда увеличивае тся . Однако расти бе с конечно она не может. Имеются два пути увеличения емкости л ейденской банки . Один из них заключается в увеличении площади электродов , чтобы дать возможность зарядам рассредоточиться в большем пространстве и тем самым уменьшить силу взаимного отталкивания эл ектронов . Друго й путь - уменьшить толщину стеклянной стенки сосуда , разделяющей заряды , скапливающиеся на внутреннем и внешнем электродах . Не надо забывать при этом , что если стекло буде т слишком тонким , электроны смогут пройти сквозь него , создавая искро в ой раз ряд , что приведет к рассеянию заряда. Оба пути в лейденской банке трудно реализовать , но они входят в число трех классических способов , к которым прибегают современные ученые и инженеры при разработ ке новых конструкций конденсаторов . Третье на правлен ие увеличения емкости - учет особен ностей поведения электронов в изоляторах . Хот я электроны в изоляционном материале неподвиж ны , они все же могут слегка смещаться под воздействием сил притяжения или отталкива ния , действующих со стороны электродов . На одно й стороне разделяющего электроды диэлектрика электроны как бы "вспучиваются " под его поверхностью , создавая отрицательный заряд , на другой его стороне они "утопают " в толщу диэлектрика , увеличивая в подпов ерхностной зоне значение положительного заряда. Таки м образом , созданные в диэлект рике заряды способствуют нейтрализации зарядов на обкладках , а некоторые диэлектрики могут нести заряды , которые по величине не уступают зарядам на самих электродах . Нейтрал изация зарядов уменьшает действие сил отталки вания и создает условия для накопл ения на электродах большего заряда , что ве дет к увеличению емкости . Степень проявления этого феномена зависит от свойств диэлек трика и называется диэлектрической проницаемость ю материала . Диэлектрическая проницаемость указыв ает , в о сколько раз увеличивается емкость конденсатора , когда вместо вакуума пространство между его электродами (обкладками ) заполняется данным материалом . Стекло , использу емое в лейденской банке , имеет значение ди электрической проницаемости около 5, а диэлектр и ческая проницаемость новых материало в , используемых в современных конденсаторах м ассового производства , достигает 20 000. Применением этих материалов как раз и объясняется высокая эффективность работы мно гослойных керамических конденсаторов , являющихся одн им из двух наиболее распространенных видов этого устройства . Другой тип - элект ролитические конденсаторы ; их удельная емкость (на единицу объема ) еще выше , даже без использования диэлектриков с высокой диэлектри ческой проницаемостью . Объем производства те х и других составляет 95% общего к оличества поступающих в продажу конденсаторов. Многослойный керамический конденсатор - уменьш енный вариант лейденской банки . На практике в качестве диэлектрика в керамических конд енсаторах используется титанат бария с добав лением небольшого количества других оксид ов . Такие керамики , имеющие диэлектрическую пр оницаемость в пределах от 2000 до 6000, в исходно м состоянии представляют собой тонкодисперсный порошок , частицы которого имеют диаметр нес колько микрон . Порошок смешив а ют с растворителем , содержащим связующее вещество , которое потом соединит равномерно рассредоточенн ые в растворе частицы керамики . Полученная смесь в виде жидкой глины имеет такую же консистенцию , как и краска . Смесь р азливают слоем толщиной несколько сот ы х долей миллиметра на бумажную или стальную ленту и высушивают . Пленка режется на квадратные пластины размером 15-20 см ; на каждую такую пластину методом печатного монтажа наносится несколько тысяч обкладок че рез специальный трафарет , задающий их конфигу р а цию . Для нанесения обкладок испо льзуется серебряно-палладиевая суспензия. После того как обкладки нанесены , беру т 30-60 пластин и спрессовывают их между неск олькими слоями таких же пластин , на которы е обкладки не наносились . Полученные заготовк и конденсато ров обжигаются в печи с медленным нагревом до 1000-1400°С. Электролитический конденсатор можно уподобит ь лейденской банке из очень тонкого стекл а , уменьшенной до размеров небольшого куба . Он изготавливается из куска металла с 60%-ной пористостью . Для больш инства совреме нных электролитических конденсаторов используют измельченный тантал - твердый металл серого цв ета . Порошок тантала спрессовывается и затем в течение нескольких часов полученную за готовку нагревают в вакуумной камере до т емпературы , близкой к 2000°С . В резу льтате частицы металла спекаются , плотно сцеп ляясь друг с другом . Образуемые при этом небольшие ниши и щели в толще спресс ованного порошка повышают поверхностную площадь заготовки , которая потом будет служить од ной из обкладок конденсатора . З атем в электролитической ванне заготовку подверга ют анодированию , чтобы на поверхностях пор получить изолирующий слой оксида тантала . П отом заготовку погружают в раствор нитрата марганца . В ее порах после нагрева осаж даются частицы полупроводящего диоксид а марганца , слой которых играет роль одной обкладки , а танталовые частицы под с лоем оксида тантала - другой обкладки . Конденса тор сначала покрывают графитовой , потом сереб ряной краской , напыляют слой никеля и заде лывают в корпус. Несмотря на то что электрол итичес кие конденсаторы имеют наибольшую удельную ем кость по сравнению с другими типами конде нсаторов , область их применения ограничена . Во- первых , это объясняется тем , что подводимое к нему напряжение должно иметь определенну ю полярность , которую нельзя м е нят ь . Эта особенность допускает использование эл ектролитических конденсаторов только в цепях постоянного тока . Во-вторых , электролитические конд енсаторы более подвержены пробою , поскольку с лои диэлектрика в нем очень тонкие. Список использованн ой литературы 1. Справочник по электротехническим материал ам . Том 3. Л . «Энергия» , 1988. 2. Добрынин А.В ., Казаков Н.П ., Найда Г.А ., Подденежный Е.Н . и др . Нитрид алюминия в электронной технике . Ж . «Зарубежная электр онная техника» , № 4 1989. 3. Носов О.Н. Оптоэлектроника . М . «Выс шая школа» . 1976. 4. Журнал «Радио» № 4 1991год. 5. Тихонов С.Н . «Электротехника для начина ющих» М . «Военное издательство министерства о бороны СССР» 1969г. 6. Справочник «Конденсаторы» М . «Радио и связь» 1987. 7. Терещук Р.М ., Тере щук К.М ., Седов С.А . «Полупроводниковые приемно-усилительные устро йства , справочник радиолюбителя» . Издание 4-е ст ереотипное . Киев . «Наукова думка» 1988. 8. В . А . Ацюковский - «Емкостные датчики перемещения» 9. Журнал “Радио” , номер 12, 1978 г. 10. Виногра дов Ю.В . “Основы электронной и полупроводниковой техники” . Из д . 2-е , доп . М ., “Энергия” , 1972 г . - 536 с.