Конденсаторы — это радиоэлементы, способные накапливать электрический разряд. Однако в радиотехнике основным полезным свойством конденсаторов является то, что они способны пропускать переменный ток одновременно не пропуская постоянный. Кроме того они могут являться составной частью радиотехнических фильтров. В зависимостьи от их задачи меняются и требования к конденсаторам.
Как известно из общего курса физики, простейший конденсатор представляет собой параллельные пластины металла, разделенные диэлектриком. Металлические пластины конденсатора обычно называются его обкладками. Внутреннее устройство плоского конденсатора приведено на рисунке 1.
Рисунок 1. Внутреннее устройство плоского конденсатора
Емкость конденсатора зависит от площади металлических пластин, нанесенных на диэлектрик, и расстояния между ними (толщины диэлектрика). Данная зависимость описывается следующей формулой:
где S — площадь пластин конденсатора (м2);
d — расстояние между пластинами (м);
ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума ε0 = 8.85·10−12 (Ф/м) ;
C — Емкость конденсатора (Ф).
Наиболее распространенными в настоящее время являются керамические конденсаторы поверхностного монтажа. Конструктивно они представляют собой параллельное соединение плоских конденсаторов, нанесенных на керамическую подложку. Параллельное соединение позволяет увеличивать емкость конденсатора, не увеличивая при этом площадь, занимаемую конденсатором на печатной плате. Упрощенное внутреннее устройство конденсаторов поверхностного монтажа (smd конденсаторов) приведено на рисунке 2.
Рисунок 2. Внутреннее устройство керамического smd конденсатора
Рисунок 3. Процесс создания керамического smd конденсатора
Основным параметром конденсатора является его емкость, измеряемая в зависимости от ее величины в пикофарадах
(
Не менее важным параметром (особенно в условиях микроминиатюризации) являются габариты конденсатора. Сейчас в основном применяются резисторы поверхностного монтажа. Их размеры обычно стандартизованы и совпадают с типоразмерами smd резисторов. Однако есть исключения. В качестве примера можно назвать конденсаторы фирмы American technical ceramics (ATC) [1]
Емкости конденсаторов в зависимости от схемы, где они применяются, требуются различных номиналов. При изготовлении конденсатора необходимо получить требуемую емкость. Емкости небольших значений (единицы и десятки пикофарад) получаются достаточно легко. В этом случае возможно в качестве диэлектрика, разделяющего обкладки конденсатора можно применить высококачественную высокочастотную керамику. В результате получаются конденсаторы с высокими качественными параметрами. Изменение емкости конденсатора возможно изменением площади обкладок конденсатора и уменьшением расстояния между обкладками (уменьшением толщины диэлектрика). Уменьшение толщины диэлектрика одновременно приводит к уменьшению предельного напряжения конденсатора.
При увеличении емкости конденсатора при заданных его размерах (а в smd-конденсаторах они жестко определены) наступает технологический предел уменьшения толщины диэлектрика и увеличения площади обкладок конденсатора. Дальнейшее увеличение емкости (до величин порядка нескольких тысяч пикофарад) возможно только увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика. В качестве аналогии можно назвать, что увеличение индуктивности катушки можно осуществить при помощи ферромагнетика. Диэлектрики с подобными электрическими свойствами называются сегнетоэлектриками. Некоторые виды керамики, обладающие большим значением диэлектрической проницаемости диэлектрика приведены в таблице 1.
Таблица 1. Электромеханические параметры некоторых видов керамики.| Марка материала | Функциональная группа | Диэлектрическая проницаемость | Точка Кюри, °С | Коэффициент электромеханической связи | Пьезоэффект (d) 10-11, Кл/Н, не менее | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| d31 | d33 | |||||
| ТБ-1 | 1 | 1500±300 | 110 | 0,20 | 4,5 | 10 |
| ТБК–3 | 2 | 1200±200 | 95 | 0,2 | 4,3 | 8,3 |
| ТБКС | 3 | 450±50 | 150 | 0,17 | 2 | 5 |
| ЦТС 19 | 1 | 1725±325 | 290 | 0,4 | 10,0 | 20,0 |
| ЦТСНВ-1 | 1 | 2250±560 | 240 | 0,45 | 16,5 | 40,0 |
| ЦТС-23 | 2 | 1075±225 | 275 | 0,43 | 10,0 | 20,0 |
| ЦТС-24 | 2 | 1075±225 | 270 | 0,45 | 10,0 | 20,0 |
| ЦТБС-3 | 2 | 2300±500 | 180 | 0,45 | 12,5 | 32,0 |
| ЦТСС-1 | 2 | 1150±150 | 260 | 0,43 | 7,5 | 18,0 |
| ЦТС-22 | 3 | 800±200 | 300 | 0,20 | 2,0 | 5,0 |
| ЦТС-35 | 3 | 1000±200 | 300 | 0,38 | 7,0 | Не норм. |
| ЦТС-21 | 4 | 550±150 | 400 | 0,2 | 2,7 | 6,7 |
| НБС 1 | 2 | 1600±300 | 245 | 0,28 | 6,7 | 16,7 |
| НБС-3 | 3 | 1800±400 | 250 | 0,20 | 4,5 | 10,0 |
Из приведенной таблицы видов керамики видно, что за счет применения подобной керамики без увеличения размеров можно увеличить емкость конденсаторов поверхностного монтажа (smd конденсаторов) до двух тысяч раз. Ценой увеличения удельной емкости конденсаторов будет нелинейность полученной емкости. Это связано с тем, что амплитудная характеристика сегнетоэлектриков, в том числе и титаната бария нелинейна. Кроме того она обладает гистерезисом. Эти явления могут привести к существенному ухудшению параметров радиоэлектронной аппаратуры, таких как интермодуляционные искажения передатчиков сотовых аппаратов и базовых станций и ухудшение многосигнальной избирательности радиостанций. Кроме того, конденсаторы, выполненные на подобных видах керамики способны преобразовывать звуковые колебания и вибрацию в электрические сигналы за счет пьезоэффекта.
Следующим видом конденсаторов большой емкости являются электролитические конденсаторы поверхностного монтажа. В основном электролитические конденсаторы поверхностного монтажа реализуются как танталовые конденсаторы, немного реже — полимерные конденсаторы поверхностного монтажа.
