Краткое руководство по выбору конденсатора триммера – Часть 1

Как известно, конденсаторы являются важными элементами схемы для хранения и подачи заряда по мере необходимости. Для катушек индуктивности и резисторов конденсаторы служат формирующими блоками пассивных цепей и вспомогательными компонентами для активных цепей. Хотя в большинстве электрических цепей используются, как правило, конденсаторы с фиксированной емкостью, иногда предпочтительно или необходимо использовать компонент с переменным диапазоном емкости.

Эти переменные конденсаторы известны как подстроечные конденсаторы, поскольку они могут использоваться для выбора и подстройки характеристик как активных, так и пассивных цепей. Эти компоненты имеют различную настройку в зависимости от значений частоты генератора и времени нарастания и спада. Помимо этого, если значения дрейфуют в течение срока службы устройства, подстроечные конденсаторы можно перекалибровать. Для применений с повышенной чувствительностью, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), эти компоненты помогают значительно оптимизировать производительность, когда любая нестабильность времени или температуры может повлиять на вывод изображения.

Компромиссы, которые следует учитывать при оценке типов конденсаторов

При проектировании схемы инженеры сталкиваются со многими компромиссами, и выбор использования постоянного или подстроечного конденсатора является одним из них. Как правило, подстроечный конденсатор обычно стоит дороже, чем конденсатор с фиксированной емкостью, но он также обеспечивает большую гибкость. Однако, когда допуск по емкости является проблемой, использование конденсатора с фиксированной емкостью с жесткими допусками обычно соответствует более высокой цене, а это означает, что подстроечный конденсатор может быть более эффективным с точки зрения затрат. Кроме того, в то время как конденсаторы с фиксированной емкостью когда-то были явно меньше по габаритам, чем подстроечные конденсаторы, разработка подстроечных конденсаторов в виде чипов закрыла этот пробел.

Даже при крупносерийном производстве, где обычно предполагается использование конденсаторов с фиксированной емкостью, окончательный выбор зависит от объема требуемой настройки конечного продукта. Например, схемы с регулируемыми частотами, такие как фильтры и кварцевые генераторы, могут выиграть от гибкости настройки подстроечного конденсатора. При постобработке замена фиксированного конденсатора на печатной плате (PCB) из-за старения, дрейфа частоты или производственных отклонений может означать полную переработку печатной платы. Этой переделки можно избежать путем предварительного размещения подстроечного конденсатора.

Основы проектирования подстроечных конденсаторов

Емкость подстроечных конденсаторов обычно составляет от 1 до 2 пФ, но может достигать 200 пФ и более. И, в то время как конденсатор с фиксированной емкостью, по сути, представляет собой две металлические пластины — пластины статора и вращателя — которые удерживают заряд, в подстроечном конденсаторе эти пластины либо регулируются на расстоянии друг от друга, либо величина открытой области смещается для изменения величины емкости. Как и в постоянном конденсаторе, в качестве электрической изоляции между пластинами или другими металлизированными поверхностями используется диэлектрик, например воздух, керамика, стекло, политетрафторэтилен (ПТФЭ) или сапфир. Кроме того, точность и повторяемость элемента настройки в значительной степени способствует точности и стабильности значения емкости подстроечного конденсатора.

 Подстроечные конденсаторы могут иметь различные конструкции, включая трубчатые и пластинчатые. Емкость изменяется за счет перемещения поршня внутри металлизированной снаружи диэлектрической трубки. По мере того, как поршень перекрывается с большим количеством пластин статора, емкость увеличивается. Варианты включают использование поршня с подвижным набором концентрических металлических колец, вставленных в фиксированный набор параллельных колец. По мере зацепления колец емкость увеличивается. В трубчатом подстроечном конденсаторе емкость можно регулировать с помощью вращающегося или невращающегося поршня, который постоянно прикреплен к регулировочному винту (рис. 1).

Рисунок 1. Емкость трубчатого подстроечного конденсатора регулируется винтом, прикрепленным к вращающемуся или невращающемуся поршню.

Во вращающейся трубчатой конструкции узел поршень-винт вращается внутри резьбовой втулки в частично металлизированной диэлектрической трубке. Чем больше поршень задевает металлизированную часть диэлектрической трубки, тем больше емкость. Конструкция относительно проста в сборке и недорога, хотя различия в сопрягаемых деталях могут привести к неравномерности настройки до ±10 процентов.

В невращающейся конструкции поршень размещен на направляющих втулки и приводится в движение винтом, установленном во втулке и не перемещающимся в осевом направлении. При вращении винта поршень скользит по направляющим и входит в металлизированную область диэлектрической трубки. Поскольку поршень не вращается, воздушный зазор остается постоянным, а настройка выполняется линейно в пределах ±1%, а не ±10%, как у вращающейся версии. В отличие от вращающейся конструкции, этот подход обеспечивает лучшую устойчивость к ударам и вибрации. Поскольку ток проходит по направляющим втулкам, а не по винту.  Индуктивность в такой конструкции ниже, и могут быть достигнуты более высокие собственные резонансные частоты (SRF). Используя винт с мелкой резьбой, можно обеспечить многократную регулировку емкости с чрезвычайно высокой разрешающей способностью.

Сравнение диэлектрических параметров подстроечных конденсаторов

Как уже упоминалось, пространство между металлизированными поверхностями в подстроечном конденсаторе может быть заполнено различными диэлектриками, включая воздух, керамику, стекло, ПТФЭ и сапфир.

• Подстроечные конденсаторы с воздушным диэлектриком обеспечивают наименьшую изоляцию между заряженными поверхностями и, как правило, ограничены в возможностях обработки напряжения и значении емкости.

• Подстроечные конденсаторы, в которых используются диэлектрики из стекла, кварца и ПТФЭ, обеспечивают достаточную изоляцию для более высоких номинальных напряжений и могут достигать более высоких значений емкости.

Для высокочастотных применений, где важна высокая добротность и высокие SRF, многооборотные подстроечные конденсаторы на основе воздушных, сапфировых или диэлектрических материалов из ПТФЭ обеспечивают наименьшие потери и наилучшие общие характеристики. Величина изоляции, обеспечиваемая диэлектрическим материалом, влияет на номинальное напряжение подстроечного конденсатора, обычно определяемое как выдерживаемое напряжение диэлектрика (DWV). Например, ПТФЭ имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, чем воздух (равную единице), и может поддерживать подстроечные конденсаторы с гораздо более высоким номиналом DWV, порядка 15 000 В или более.

• Подстроечные конденсаторы на основе керамических диэлектриков имеют небольшие размеры, недороги и легко доступны для использования в автоматизированных производственных машинах. Эти конденсаторы могут иметь диапазон емкости до 40 пФ и хорошо подходят для приложений, требующих небольшого размера и низкой стоимости. Но керамические подстроечные конденсаторы, как правило, страдают только от средней температурной стабильности, которая ухудшается с увеличением емкости. Эти компоненты доступны с добротностью около 1500 на частоте 1 МГц и номинальным температурным коэффициентом от 0 до 750 ppm/°C. Дрейф емкости обычно составляет от ±1 до ±5 процентов, в то время как максимальное значение DWV составляет 220 В постоянного тока или меньше.

• Как диэлектрик сапфир невероятно прочен. Значение его диэлектрической проницаемости не меняется с частотой, он механически прочен и влагонепроницаем, а его характеристики потерь стабильно низки даже на частотах выше 10 ГГц. Например, подстроечный конденсатор Giga-Trim изготовлен из сапфира в качестве диэлектрика, что делает его практически неразрушимым миниатюрным конденсатором с превосходными электрическими характеристиками. Эти конденсаторы могут выдерживать суровые условия нагрева при пайке, чрезмерную настройку и грубое обращение. В результате превосходных диэлектрических и изоляционных свойств сапфирового корпуса также достигается высокое напряжение пробоя.

Во второй части мы обсудим детали спецификации подстроечного конденсатора.