4.4. Конденсаторы

Конденсаторы относятся к одному из наиболее распространенных компонентов РЭА. В программе EWB 4.1 конденсаторы представлены тремя типами, показанными на рис. 4.35, а.

Первый тип охватывает практически все конденсаторы, второй — электролитические, третий — подстроечные; значение емкости каждого конденсатора может быть установлено в пределах от 10'8 пФ до 10е Ф. Емкость подстроечного конденсатора может изменяться нажатием назначенной пользователем клавиши клавиатуры (по умолчанию — клавиши С), начиная от максимального значения до минимального с заданным шагом (от 1 до 100%). Все эти установки производятся с помощью диалогового окна на рис. 4.36.

При расчете переходных процессов в программе используется схема замещения конденсатора, показанная на рис. 4.35, б, параметры которой определяются выражениями [67]:

при численном интегрировании по методу трапеций;

при использовании метода Гира.

Здесь h — приращение времени на каждом шаге интегрирования; I„ — значение тока эквивалентного источника на п-м шаге; Rc„, U„ и Ic„ — сопротивление шунтирующего резистора, напряжение на конденсаторе и ток на га-м шаге.

В качестве примера рассмотрим используемую на практике схему емкостного делителя (рис. 4.37). Выходное напряжение делителя, измеряемое мультиметром, определяется формулой:

(4.4)

Рис. 4.37. Емкостной делитель

Поскольку измерения можно проводить при различной форме напряжения функционального генератора, то при сопоставлении результатов расчета по формуле (4.4) и результатов моделирования необходимо учитывать, что мультиметр измеряет эффективное значение напряжения, которое для синусоидального сигнала составляет 0,707 от амплитудного, 0,578 — для треугольного и равно амплитуде меандра (прямоугольный сигнал со скважностью 2). Рассмотрим возможность использования в качестве подстроечного конденсатора варикапа — специально сконструированного диода, барьерная емкость р—га-перехода которого зависит от обратного напряжения:

(4.5)

где С„ — емкость перехода при обратном напряжении U„, С, — емкость при нулевом напряжении, Ui — температурный потенциал перехода (при комнатной температуре он составляет 26 мВ), т=0,5 — для резких (сплавных) и 0,333 — для плавных (диффузионных) переходов.

Основной параметр варикапа — емкость С„ при номинальном напряжении смещения. Кроме того, указываются максимальная С„„,„ и минимальная С,„» емкости при минимальном и максимальном напряжениях смещения соответственно. Иногда в числе характеристик варикапа приводится коэффициент перекрытия емкости — отношение максимальной емкости к минимальной.

Качество конденсатора характеризуется добротностью, которая определяется как отношение реактивного сопротивления к полному сопротивлению потерь диода на заданной частоте. Повышение добротности достигается путем уменьшения утечек.

В программе EWB нет специальной модели варикапа, вместо нее можно использовать модель диода. В перечень параметров диода входят следующие (см. рис. 4.38, в квадратных скобках приведены обозначения параметров, принятые в EWB 5.0):

Saturation current Is [IS], A — обратный ток диода, по умолчанию 10 " А;

Ohmic resistance rs [RS], Ом — объемное сопротивление (от десятков до десятых долей Ом);

Zero-bias junction capacitance Cj [CJO], Ф — барьерная емкость р— га-перехода при нулевом напряжении (от единиц до десятков пФ);

Junction potential vj [VJ], В — контактная разность потенциалов (0,75 В);

Tranzit time т [ТТ], с — время переноса заряда;

Junction grading coefficient m [M] — конструктивный параметр перехода (см. формулу (4.5), в большинстве случаев m = 0,333);

Rovers Bias Breakdown Voltage Vbr [BV], В — максимальное обратное напряжение, задается со знаком минус, для стабилитронов параметр не нормируется.

Для стабилитронов в перечень параметров включаются:

Zener test current Izt [IZT], A — номинальный ток стабилизации (от единиц до десятков мА);

Zener test voltage at Izt Uzt [VZT], В — напряжение стабилизации при номинальном токе стабилизации.

Рис. 4.39. Емкостной делитель с диодом

Схема емкостного делителя с использованием диода (рис. 4.39) содержит цепь смещения (цепь управления барьерной емкостью), состоящую из источника напряжения Uc и резистора R, генератор (амплитуда 1 В, частота 1 МГц), мультиметр, эталонный конденсатор Со и исследуемый диод VD типа kl (переименованная модель Ideal для возможности редактирования параметров) с барьерной емкостью Ci = 100 пФ при нулевом напряжении на переходе. Конденсаторы Со и Ci образуют емкостной делитель, выходное напряжение которого определяется выражением (4.4). С помощью этого выражения можно определить емкость

(4.6)

Контрольные вопросы и задания

Вопросы составлены с учетом сведений, приведенных в Приложении 2.

1. Определите коэффициент деления емкостного делителя на рис. 4.37 при минимальных и максимальных значениях емкости конденсаторов CI и С2, указанных на рис. 4.35.

2. Изменяя напряжение Uc источника смещения в схеме на рис. 4.39 и измеряя мультиметром напряжение Uo, с помощью формулы (4.6) найдите зависимость барьерной емкости диода от напряжения Uc и сравните с результатами расчета по формуле (4.5).

3. Рассчитайте зависимость барьерной емкости обратно смещенного диода от напряжения смещения в схеме рис. 4.39 при т=0,5 и 0,333 и сравните полученные данные с результатами моделирования. Проведите аналогичные исследования для стабилитрона, при этом необходимо учесть, что максимальное напряжение смещения должно быть меньше напряжения стабилизации.

4. Какая разница между керамическим и электролитическим конденсатором?

5. В честь кого названа единица емкости?

6. Назовите области применения конденсаторов.

7. Какие типы конденсаторов Вы знаете?

8. Что такое номинальное значение емкости конденсатора и какими нормативными документами оно устанавливается?

9. С какими допусками выпускаются конденсаторы?

10. Назовите основные характеристики конденсаторов и определите их значимость в зависимости от области применения.

11. Какие Вы знаете конденсаторы с электрически управляемой емкостью?

12. В какой бытовой аппаратуре используются варикапы и с какой целью?