Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
Основные типы конденсаторов
Различают конденсаторы постоянной и переменной емкости.
В зависимости от того, какой материал использован в качестве диэлектрика, конденсаторы бывают: воздушными, бумажными, керамическими, пленочными и др. На рис. 4 представлены конденсаторы постоянной емкости.
Рис. 4. Конденсаторы:
а, в — внешний вид керамических и электролитических конденсаторов; б, г — УГО и компоненты EWB
Основными характеристиками конденсаторов являются: номинальная емкость, выражаемая в фарадах (Ф) и дольных единицах (мкФ, нФ, пФ и т. д.); допуск в процентах от номинального значения; максимальное допустимое напряжение. Общее число факторов, учитываемых при выборе конденсаторов, доходит до 18.
Номинальная емкость конденсаторов с указанием допуска, а также рабочее напряжение в основном проставляются на их корпусах. Однако в последние годы, цветовые художества появились и на конденсаторах. Геометрические же формы конденсаторов весьма разнообразны: диски, цилиндры, призмы и т. д. Весьма популярные танталовые сухие оксидные конденсаторы имеют каплеобразную форму, напоминая головастиков с двумя лапками.
Цветовые метки, это и кольца, и полосы, и пятна, и размещаются по-всякому. Так что «Палата № 6» здесь присутствует в полном составе. Хорошо еще, что иногда проставляется величина емкости: ее измерение все-таки сложнее, чем измерение сопротивления, хотя умельцы умудряются измерять небольшие емкости с помощью… радиоприемника (подумайте, как). Одно обнадеживает: электроника не стоит на месте, а бурно развивается.
Особо остановимся на электролитических конденсаторах (см. рис. 4, в, г), которые радиолюбители именуют «электролитами». Это полярные приборы. В них используется жидкий и твердый электролиты. Алюминиевые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде цилиндров, внутри которых размещается слоистый рулон из чередующихся лент: анод из алюминия, оксидированный его окисью, первый бумажный разделитель, катод из неоксидированного алюминия, второй бумажный разделитель. Вся конструкция помещается в корпус, в который добавляют электролит и герметизируют.
В конденсаторах с твердым электролитом вместо бумаги используется материя, пропитанная нитратом магния. Если размотать внутренний рулон конденсатора, то получится длинный плоский сэндвич с двумя выводами от анода и катода. Рассматривая этот сэндвич как обыкновенный плоский конденсатор с двумя обкладками, не трудно оценить его емкость по известным геометрическим размерам, приняв относительную диэлектрическую постоянную бумаги равной 2. Выполнив нехитрый расчет и сверившись с величиной емкости, проставленной на корпусе, увидим, что мы ошиблись на очень много порядков. Дело в том, что мы сделали принципиальную ошибку, приняв разделительную бумагу за разделяющий диэлектрик. На самом деле диэлектриком в электролитическом конденсаторе служит пленка оксида алюминия, а она гораздо тоньше, да и диэлектрическая постоянная у нее в десятки раз больше. Так что второй обкладкой служит поверхность электролита, соприкасающаяся с окисной пленкой (в рулоне с двух сторон).
Сам электролит и катод являются электродами (тоководами), как в первых конденсаторах: бутылках, банках. Наличие электролита внутри замкнутой полости приводит к тому, что если включить конденсатор на переменное напряжение, то вследствие обильного газовыделения он взорвется. Так что с «электролитами» надо обращаться осторожно.
Диэлектрик в электролитических конденсаторах выполняют также на основе оксидов тантала или ниобия, или ряда полупроводников. Емкости подобных конденсаторов могут достигать 0,5 Ф — это гигантская величина: Фарадей вряд ли поверил бы, что такие емкости возможны. Однако, как оказалось, это далеко не предел возможного. Вернемся теперь к упомянутой ранее комбинации конденсатор-ХИТ, названной ионистором.
Ионистор (по зарубежной терминологии — supercapacitor — суперконденсатор или ультраконденсатор — ultracapacitor) — это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред: электрода и электролита. (Здесь полезно поразмышлять над вышеупомянутыми опытами Франклина и Адденбрука.)
В качестве обкладок в ионисторе используются три типа материалов: активированный уголь, оксиды металлов и проводящие полимеры. Активированный уголь имеет большую объемную пористость, что позволяет достигнуть плотности емкости 10 Ф/см3 и выше. Ионисторы на основе активированного угля называют также двухслойными или DLC-конденсаторами (от англ. Double Layer Capacitor), поскольку заряд в них хранится в двойном электрическом слое, образующемся вблизи обкладки.
Ионисторы имеют емкости от единиц до нескольких тысяч фарад! Рабочее напряжение ионисторов разных типов составляет от 2,5 до 6,3 В. Энергия, запасенная в ионисторе при прочих равных условиях составляет 1/10 энергии никель-металлгидридной батареи. Батарея заряжается часами, а ионистор — за секунды. Батарея имеет ограниченное число циклов заряд-разряд, а ионистор — практически неограниченное. Конечно, и у ионисторов есть недостатки (напряжение падает при разряде, высок саморазряд и т. д.) и заменить все ХИТ они не могут, но в некоторых случаях они оказываются вне конкуренции или серьезной альтернативой.
В конденсаторах переменной емкости (рис. 5), служащих для настроек радиоприемников на определенную станцию, как правило, используются сдвоенные секциями подвижных (ротор) и неподвижных пластин (статор), разделенных воздухом.
Рис. 5. Конденсаторы переменной емкости:
а - внешний вид; б — УГО и компонент EWB
При повороте ротора на некоторый угол изменяется эффективная площадь (площадь перекрытия пластинами статора пластин ротора) и, следовательно, суммарная емкость системы. Форму пластин ротора выполняют так, чтобы зависимость емкости от угла поворота была прямо пропорциональной для емкости, длины волны или частоты.
В «подстроенных» конденсаторах («подстроечниках») используют два керамических диска, на противоположные стороны которых, путем «вжигания», нанесены тонкие серебряные обкладки в виде секторов (полукругов). Вращение одной обкладки относительно другой приводит к изменению емкости системы.
Еще один вид конденсаторов, так называемые «варикапы», являются разновидностью полупроводниковых диодов и будут рассмотрены вместе с последними. Аналогично поступим и с конденсаторными и электретными микрофонами, а также с пьезопреобразователями. Всему свое время.
Катушки индуктивности и трансформаторы
Согласно терминологическим словарям, катушка индуктивная — это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его индуктивности и выполненный из провода, намотанного на каркас. Хотя наличие каркаса и не обязательно в контуре мощного радиопередатчика или ТВЧ-генератора, катушка, как правило, бескаркасная и выполняется из толстого медного посеребренного (подумайте зачем) провода (шины или трубки). Кроме того, катушка может быть и плоской спиралью, выполненной на печатной плате.
В приведенном выше определении, «катушка индуктивная» или, что то же самое, «катушка индуктивности», или, наконец, «индуктивная катушка» номинирован тип компонента (изделия) через его параметр «индуктивность». Называть изделие его свойством индуктивностью или, наоборот, параметр катушкой плохо и может привести к ошибкам. К сожалению, радиолюбители часто этим грешат: не следуйте подобному примеру.
Основополагающие работы по катушкам индуктивности провел впервые Майкл Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции. Фарадей использовал катушки в качестве электромагнитов и называл их соленоидами (от греческих слов, означающих трубка и вид). Практически одновременно с ним закон самоиндукции был открыт Джозефом Генри, по фамилии которого и была впоследствии названа единица индуктивности («генри»).
Электрическими характеристиками катушек индуктивности служат: значение индуктивности, максимальный ток, активное сопротивление провода обмотки. Для контурных катушек также важны: величина добротности, характеризующей потери энергии в катушке, собственная емкость и частотный диапазон использования.
В катушках индуктивности электромагнитная энергия запасается в виде магнитного поля, концентрирующегося внутри катушки. Индуктивность зависит от числа витков и общей геометрии катушки (рис. 6).
