Курсовая работа (т): Бумажный конденсатор

Бумажный конденсатор

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Кафедра физической электроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Материалы электронной техники»

На тему:

Бумажный конденсатор

Студент группы 311

Пилипец И.В.

Руководитель Битнер Л.Р.

Доцент кафедры ФЭ

Содержание

Введение

1. Обзор конструкций конденсаторов и выбор направления проектирования

. Выбор материалов для бумажного конденсатора

2.1 Основные диэлектрические материалы

.2 Конструкции для защиты конденсатора

2.3 Материалы обкладок

3. Расчет конденсатора

3.1 Основные принципы расчета

3.2 Расчет бумажного конденсатора

Заключение

Список литературы

Введение

В современной технике конденсаторы находят себе исключительно широкое и разностороннее применение, например, в радиотехнической и телевизионной аппаратуре, в радиолокационной технике, в электроизмерительной технике и т.д., поэтому конденсаторы являются важной частью радиоэлектронной и бытовой аппаратуры. По этой причине неразрывно связаны: качество РЭА и конденсаторов. Основным этапом, на котором задаются параметры конденсаторов, является этап проектирования. В ходе проектирования учитывается конструктивные и технологические факторы. Нужно выбрать правильный вариант конструкции, согласовав минимальные габаритные размеры и требуемые технические характеристики. [1]

Целью данной курсовой работы является разработка бумажного конденсатора с заданными параметрами, а также приобретение личного опыта разработки радиоэлементов.

1. Обзор конструкций конденсаторов и выбор направления проектирования

Конденсатор - это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделённых диэлектриком и предназначенный для использования его емкости. Емкость конденсатора - есть отношение заряда конденсатора к разности потенциалов, которую заряд сообщает конденсатору.

Конденсаторы, применяемые в РЭА, можно разделить на конденсаторы постоянной емкости, конденсаторы переменной емкости и подстроечные конденсаторы. В данной работе рассмотрим конденсаторы постоянной емкости. Конденсаторы постоянной емкости, так же как и резисторы, являются особенно широко применяемыми элементами схемы, к которым предъявляются чрезвычайно разнообразные требования. [2]

Основные параметры конденсаторов: номинальная емкость, допускаемые отклонения фактической емкости от номинальной, номинальное напряжение, сопротивление изоляции, тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости.

Конденсаторы постоянной емкости в зависимости от применяемого диэлектрика могут быть разделены на конденсаторы с воздушным и твердым диэлектриком. Конденсаторы с твердым диэлектриком могут быть разделены на конденсаторы с неорганическим диэлектриком - из слюды, керамики, стекла, стеклокерамики, стеклоэмали и т.п. и на конденсаторы с органическим диэлектриком - из бумаги и пленок из полистирола, фторопласта и т.п. [2]

Конденсаторы имеют различные конструкции, например пакетная конструкция (рис. 1.1) применяется в слюдяных, стеклоэмалевых, стеклокерамических и некоторых типах керамических конденсаторов и представляет собой пакет диэлектрических пластин (1) толщиной около 0,04 мм, на которые напылены металлизированные обкладки (2), соединяемые в общий контакт полосками фольги (3). Собранный пакет спрессовывается обжимами (4), к которым присоединяются гибкие выводы (5), и покрывается влагозащитной эмалью. Количество пластин в пакете достигает 100.4

Рисунок 1.1 Пакетная конструкция конденсатора [1]

Трубчатая конструкция (рис. 1.2) характерна для высокочастотных трубчатых конденсаторов и представляет собой керамическую трубку (1) с толщиной стенок около 0,25 мм, на внутреннюю и внешнюю поверхность которой методом вжигания нанесены серебряные обкладки (2) и (3). Для присоединения гибких проволочных выводов (4) внутреннюю обкладку выводят на внешнюю поверхность трубки и создают между ней и внешней обкладкой изолирующий поясок (5), снаружи на трубку наносится защитная пленка из изоляционного вещества.

Рисунок 1.2 Трубчатая конструкция конденсатора [1]

Дисковая конструкция (рис. 1.3) характерна для высокочастотных керамических конденсаторов: на керамический диск (1) с двух сторон вжигаются серебряные обкладки (2) и (3), к которым присоединяются гибкие выводы (4).

Рисунок 1.3 Дисковая конструкция конденсатора [1]

Литая секционированная конструкция (рис.1.4) характерна для монолитных многослойных керамических конденсаторов, их изготовляют путем литья горячей керамики, в результате которого получают керамическую заготовку (1) с толщиной стенок около 100 мкм и прорезями (пазами) (2) между ними, толщина которых порядка 130-150 мкм. Затем эта заготовка окунается в серебряную пасту, которая заполняет пазы, после чего осуществляют вжигание серебра в керамику.

Рисунок 1.4 Литая секционированная конструкция конденсатора [1]

Рулонная конструкция (рис. 1.5) характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов, обладающих большой емкостью. Конструктивно бумажные конденсаторы выполняются из двух длинных полос алюминиевой или свинцово-оловянной фольги (2), разделенных несколькими слоями бумаги (1) толщиной от 4-5 до 12-15 мкм и свернутых в виде круглого или овального рулона.

Рисунок 1.5 Рулонная конструкция конденсатора [1]

Для повышения электрической прочности и стабильности конденсатор пропитывают парафином, церезином, вазелином, маслом или различными компаундами. Основной задачей пропитки является заполнение пор в бумаге и пустот между слоями бумаги и обкладками.

Количество бумажных слоев n и толщина бумаги d определяются рабочим напряжением и условиями работы конденсатора. Конденсаторы с однослойным диэлектриков и с обкладками из фольги имеют меньшие размеры, но не обеспечивают высокой электрической прочности и надежности.

По электрическим показателям бумажные конденсаторы значительно уступают слюдяным или керамическим. Они имеют большие потери (, которые быстро растут с частотой, и более низкое сопротивление изоляции. Их параметры зависят от климатических условий и меняются во времени. Поэтому бумажные конденсаторы обычно герметизируют. Для герметизации конденсаторов относительно небольшой емкости (до 0,1 мкФ) используют цилиндрический корпус из фарфора, при несколько больших значениях емкости цилиндрический корпус из металла, а для конденсаторов большой емкости - плоские или прямоугольные корпуса из металла.

Существенным недостатком бумажных конденсаторов является большая собственная индуктивность, которая обусловлена тем, что обкладки конденсатора свернуты в виде спирали.

Рис. 1.6 - Схемы намотки бумажных конденсаторов: а - со смещенной фольгой; б - с вкладными выводами; 1 - фольга; 2 - конденсаторная бумага; 3 - выступающие концы фольги; 4 - вкладные выводы. [2]

Безыиндуктивные конденсаторы выполняют так, что выводы имеют возможно более короткое соединение со всеми участками обкладок (рис. 1.6, а). Для уменьшения индуктивности более дешевым способом в секцию при намотке через определенное число витков закладывают проводники, соединяемые вместе у общего вывода (рис. 1.6, б).

2. Выбор материалов для бумажного конденсатора

2.1    Основные диэлектрические материалы

В бумажных конденсаторах большой емкости - до нескольких микрофарад или малогабаритных конденсаторах емкостью до нескольких десятых долей микрофарад диэлектриком служит конденсаторная бумага (ГОСТ 1908-88).

По ГОСТ 1908-88 бумага изготавливается 4 видов:

КОН - обычная конденсаторная бумага, используется в качестве диэлектрика в электронной и радиотехнической промышленности преимущественно для изготовления малогабаритных электрических конденсаторов промышленной и бытовой техники;

СКОН - специальная конденсаторная бумага, применяется в изделиях, где требуется более высокий уровень электрической прочности, бумага обладает более низким значением тангенса угла диэлектрических потерь при температуре 100°С;

МКОН - бумага с малыми диэлектрическими потерями, предназначенная для пропитки синтетическими пропиточными составами, отличается высокой химической чистотой и высокими значениями электрической прочности, малыми диэлектрическими потерями;

ЭМКОН - бумага высокой электрической прочности с малыми диэлектрическими потерями, применяется в технике сильных токов и высоких напряжений для изготовления силовых и импульсных конденсаторов, работающих в условиях повышенных электрических нагрузок.

Так как специальные условия не оговорены в задании, используем для расчета конденсаторную бумагу КОН. По ГОСТ 1908-88 предусматривается изготовление бумаги с разной плотностью в зависимости от толщины (таблица 2.2).

Таблица 2.1

Соответствие типов марок и толщины бумаги [3]

Таблица 2.2

Соответствие толщины и плотности бумаги [3]

При изменении объемного веса бумаги меняются ее электрические характеристики. Чем плотнее бумага, т.е. чем большая доля ее объема заполнена клетчаткой, тем выше диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность. С ростом плотности возрастает и значение тангенса угла диэлектрических потерь сухой бумаги. [4]

Для конденсаторов, работающих при постоянном токе, когда диэлектрические потери не имеют существенного значения, надо применять бумагу с повышенной плотностью, так как она имеет повышенное значение диэлектрической проницаемости. В конденсаторах, работающих при переменном токе, для снижения потерь применяют бумагу пониженной плотности.

Конденсаторная бумага является неоднородным диэлектриком, состоящий из клетчатки, занимающей в зависимости от плотности бумаги 51 - 87% ее объема. Остальная часть объема приходится на долю пор, содержащих воздух и частично заполненных влагой. В воздушно-сухом состоянии количество влаги доходит до 10% от веса бумаги.

Для повышения электрической прочности и диэлектрической проницаемости бумагу высушивают и пропитывают различными жидкими или отвердевающими полярными или неполярными составами (таблица 2.3). Неполярные пропитывающие составы применяются в том случае, если от конденсатора необходимо получить высокие значения электрических характеристик (высокое  и малый ) и малое отклонение емкости при крайних значениях рабочих температур. Применяя для пропитки бумажных конденсаторов полярные диэлектрики, можно снизить габаритные размеры конденсаторов и, следовательно, сэкономить активные материалы. [4] Например, можно использовать касторовое масло, но при этом увеличится угол потерь.

Основным преимуществом жидких пропиточных масс является полное заполнение всех пор в бумаге, в отличие от твердых масс, которые обладают усадкой, вызывающей образование остаточных газовых включений в диэлектрике конденсатора. [5] За счет усадки снижаются электрическая прочность и диэлектрическая проницаемость. Преимуществом отвердевающих масс является возможность применения дешевой негерметизированной конструкции, но лишь при том условии, что от конденсатора не требуется высокая влагостойкость. Основным типом пропиточных масс, используемых в производстве бумажных конденсаторов, служат жидкие массы.

Таблица 2.3

Характеристики пропитывающих составов для бумажных конденсаторов