Вариконды и их применение

Вариконды и их применение

1

Содержание

Введение

1. Основные свойства

1.1 Основные свойства сегнетокерамики ВК

1.2 Частотные характеристики

1.3 Конструкции варикондов

2. Изготовление керамических конденсаторов

2.1 Изготовление конденсаторных элементов

2.2 Электроды для конденсаторов

3. Основные применения

3.1 Возможные применения импульсных схем, управляемых с помощью варикондов

3.2 Возможности построения кодирующих устройств -- шифраторов

Вывод

Литература

Введение

Развитие ряда областей современной техники в значительной степени определяется успехами электроники, основанными на научных достижениях физики твердого тела. Одно из актуальных направлений электроники -- миниатюризация аппаратуры. Наряду с уменьшением габаритов аппаратуры ставится задача достижения высокой надежности ее действия при различных условиях эксплуатации.

В последние годы наряду с полупроводниковыми и металлическими активными элементами применяются диэлектрические активные элементы -- вариконды. Варикондами называют сегнетокерамические конденсаторы с резко выраженными нелинейными зависимостями поляризации и диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Вариконды относятся к сегнетоэлектрикам и обладают свойством спонтанной, т. е. самопроизвольной электрической поляризации, существующей независимо от внешнего поля в некотором интервале температур. Сегнетоэлектрики получили на звание от сегнетовой соли, у которой в интервале температур от --18 до +24°С были впервые обнаружены аномальные диэлектрические свойства, получившие название сегнетоэлектрических.

Интенсивное использование сегнетоэлектриков в технике началось после открытия Б.М.Вулом сегнетоэлектрических свойств у керамического титаната бария BaTiO3. Вскоре после этого под руководством Г.А. Смоленского было открыто большое число новых керамических сегнетоэлектриков как простого, так и сложного состава.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, многие из которых могут изготовляться в виде поликристаллических материалов по керамической технологии. Наиболее изученным является титанат бария, поэтому для описания свойств новых сегнетокерамических материалов проводят их сравнение со свойствами BaTiO3.

В научной литературе многих зарубежных стран сегнетоэлектрики называются также и ферроэлектриками. Это обусловлено формальным сходством явлений сегнетоэлектричества (ферроэлектричества) и ферромагнетизма.

1. Основные свойства

1.1 Основные свойства сегнетокерамики ВК

В настоящее время для изготовления варикондов используются семь видов нелинейной сегнетокерамики, отличающихся друг от друга величиной диэлектрической проницаемости и поляризации, степенью нелинейности ?(E~), температурой Кюри и другими параметрами.

Эти материалы получили обозначение соответственно ВК-1, ВК-2,...,ВК-7. По составу и технологическим особенностям они не одинаковы .

Первые шесть материалов ВК-1,..., ВК-6 в нормальных условиях являются сегнетоэлектриками,и их нелинейные свойства оцениваются по характеру зависимости поляризации и диэлектрической проницаемости от напряженности переменного электрического поля. Материал ВК-7 является параэлектриком и рассматривается отдельно. Для всех материалов при увеличении поля поляризация возрастает и достигает насыщения (рис.1.1). Кривая P(E~) круто поднимается вверх для материалов ВК-3 и ВК-5, наиболее полого на начальном участке -- для материала ВК-6. Кривые для остальных материалов занимают промежуточное положение. Резкое возрастание поляризации материала ВК-6 начинается при более высоких полях, чем для материалов ВК-1,...,ВК-5.

Зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности поля для шести видов нелинейной керамики и титаната бария приведены на рис.1.2. При увеличении поля, в соответствии с законом изменения поляризации Р(E~), диэлектрическая проницаемость растет, достигает максимума и уменьшается. Наиболее резкое и большое изменение ?(E~) имеет материал ВК-5, наиболее слабое -- титанат бария.

Степень нелинейности оценивается по изменению диэлектрической проницаемости материала (или емкости вариконда) под воздействием постоянного и переменного напряжений, приложенных к образцам.

Поляризация сегнетоэлектриков (полная, остаточная, спонтанная, индуцированная), коэрцитивное поле Ec, поле насыщения, коэффициенты прямоугольности, гистерезисные потери определяются из осциллограмм петель гистерезиса, снятых при разных значениях напряженности поля. В некоторых случаях такими осциллограммами полнее всего можно охарактеризовать нелинейные свойства варикондов и судить о процессах переполяризации в веществе при том или ином значении электрического поля.

По значению температуры Кюри нелинейные сегнетокерамические материалы ВК-1?ВК-7 можно разделить на пять групп.

К первой группе относятся три материала ВК-1, ВК-2 и ВК-5 с температурой Кюри TС =75±10°С; ко второй группе --материал ВК-3, для него TС =25±10°С; к третьей группе -- материал ВК-4, TС =105± 10°С, к четвертой группе -- материал ВК-6, TС =200±20°С и, наконец, к пятой группе -- материал ВК-7, TС <20°С.

Рассмотрим основные свойства каждого из этих семи материалов.

Материал ВК-1.Он использовался только для создания первых типов варикондов, уступает по нелинейным свойствам новому материалу ВК-2 и не имеет перед ним никаких преимуществ по электрическим параметрам. Отличаясь простой технологией изготовления, ВК-1 может использоваться лишь для варикондов с невысокими нелинейными свойствами. Коэффициент нелинейности K~?4.

Материал ВК-2.Начальные значения диэлектрической проницаемости ?нач., измеренные в слабом поле при Е = 5 в/мм, для материалов ВК-1 и ВК-2 примерно одинаковы и составляют величину порядка 2200--3000.

Максимальные значения ? этих наиболее распространенных материалов (рис.1.3) достигаются при сравнительно низкой напряженности электрического поля: для ВК-1 величина Eмакс. составляет 150--200 в/мм, для ВК-2 -- 120--150 в/мм.

Точка Кюри материалов ВК-2 и ВК-1 соответствует одной и той же температуре -- примерно 75°С. При воздействии слабого электрического поля (E~?2?5 в/мм) с частотой 50--106 гц кривые температурной зависимости ? этих материалов различаются мало, тогда как кривые зависимости tg б от температуры для материала ВК-2 лежат значительно ниже, чем для материала ВК-1 (рис.1.4). При повышенных напряженностях поля значения tgб материалов ВК-1, ВК-2 и титаната бария почти одинаковы, их максимальные значения равны 0,3--0,4.

Зависимость диэлектрической проницаемости материала ВК-2 от напряженности электрического поля, как и материала ВК-1,резко выражена в широком интервале температур -- от точки Кюри до весьма низких температур (измерения производились до -195°С).

Коэффициент нелинейности K~ материала ВК-2 при отрицательных температурах много выше, чем при положительных. Это происходит потому, что при понижении температуры значение ?нач этого материала в случае воздействия слабой напряженности поля снижается значительно более резко, чем при воздействии повышенной напряженности поля, и разница между начальными и максимальными значениями ? в области отрицательных температур больше, чем в области положительных температур. При снижении температуры напряженность поля, при которой значение ? достигает максимума, увеличивается (рис.1.5).

Во всем исследованном интервале температур значения коэффициента нелинейности K~ материала ВК-2 оказались более высокими, чем материала ВК-1.

Вариконды изготовляются в виде дисков толщиной 0,4--0,8 мм. В ряде случаев вариконды применяются собранными в блоки. При рабочем напряжении 100 в напряженность поля у таких варикондов оказывается уже достаточной, чтобы вызвать возрастание их емкости до максимума. При увеличении толщины дисков рабочее напряжение варикондов может соответственно увеличиваться.

В особых случаях вариконды из этого материала изготовляются па более высокие рабочие напряжения (до 300--500 в и выше).

Вариконды из материала ВК-2 являются наиболее распространенными; они выпускаются в серийном производстве.

Материал ВК-3. Его температура Кюри TС = 25±10°С. Отличается он высокими значениями диэлектрической проницаемости и коэффициента K? в области слабых переменных полей и при комнатной температуре. Вариконды из материала ВК-3 специально предназначаются для работы при температуре, близкой к комнатной, или требуют термостатирования. В этом случае используется главным образом резко выраженная реверсивная зависимость диэлектрической проницаемости от постоянного напряжения при воздействии слабых сигналов переменного напряжения.

Изделия из этого .материала характеризуются высокой удельной емкостью в слабых полях. Вместе с тем, изготовление элементов с низким номинальным значением емкости (менее 100 пф) затруднено.

Величина диэлектрической проницаемости в слабом поле при комнатной температуре составляет 10000 -- 20000, a tgб ?0,05 при комнатной температуре.

Нелинейные характеристики материала ВК-3 измеряются при комнатной температуре. При увеличении напряженности переменного поля е материала резко возрастает и уже при 50--100 в/мм достигает максимального значения ?макс = 20000--30000, после чего она снижается (рис.1.6). Для отдельных специальных образцов вмакс может быть значительно больше и составлять 60 000--80 000, коэффициент нелинейности K~ для них невелик и составляет 2--6, это связано с тем, что начальные значения ? уже достаточно высоки.

Нелинейность сегнетокерамики ВК-3 оценивается главным образом по реверсивной характеристике диэлектрической проницаемости, снятой в слабом переменном поле порядка 2--5 в/мм. Для ?нач напряженность постоянного электрического поля равна нулю, а для ?пред 500 в/мм. Такая напряженность .постоянного поля является рабочей. Крутизна реверсивной характеристики ?(Е?) керамики ВК-3 возрастает при увеличении напря женности электрического поля и снижается при увеличении частоты.

При комнатной температуре и слабых полях коэффициент управления ? при частоте 106 гц может достигать K?=5?6; эта управляемость сохраняется до сантиметрового диапазона волн.

Из материала ВК-3 изготовляется несколько видов варикондов, конструкция которых аналогична конструкции варикондов из материала ВК-2, т. е. изделия представляют собой диски (отдельные или собранные в блок) диаметром 1--25 мм и толщиной 0,4--0,7 мм.

Благодаря такой толщине диска емкость вариконда достигает максимальной величины уже при напряжении U~ = 20?30 в.

Коэффициент реверсивной нелинейности варикондов из материала ВК-3 в слабом поле K??4, а при напряжении 20--30 в K?=8?10.

Заслуживает особого внимания возможность получения блоков из материала ВК-3 с высокой начальной емкостью. Эти блоки имеют высоту около 15--18 мм. Диаметр 25 мм, а начальные значения емкости вариконда ВКЗ-Б около одной микрофарады.

При увеличении переменного напряжения до 30--40 в емкость блоков ВКЗ-Б возрастает примерно еще в два раза, затем с дальнейшим увеличением напряжения снижается.

Приведенные здесь данные относительно характеристик варикондов ВК-3 являются предварительными.

Материал ВК-4. Температура Кюри TС = ±10°. Нелинейность этого материала высокая, коэффициенты K~ и N~ составляют соответственно 10--16 и 0,05--0,08, т. е. они выше, чем у ВК-1, и несколько ниже, чем у ВК-2. В то же время этот материал обнаруживает значительно более стабильные свойства в интервале температур 20--85°,чем материалы, рассмотренные выше. Его ?нач, ?макс и K~ изменяются в зависимости от температуры мало. При снижении температуры коэффициент нелинейности увеличивается и уже при -40°С K~ ?40?50 (рис.1.7).

Тангенс угла потерь материала ВК-4 в слабом поле около 0,01--0,03; при повышенных переменных полях (100--160 в/мм) он высокий и составляет 0,3--0,4. Удельное объемное сопротивление образцов из этого материала при температуре 100° С не ниже 1010 ом·см.

По нелинейным свойствам керамика ВК-4 лишь немного уступает керамике ВК-2. Величины ?нач и ?макс у этого материала меньше, чем у ВК-2. Как видно из рис.1.8, крутизна возрастающего участка кривой ?(Е~)для ВК-4 несколько меньше, чем для ВК-2; в соответствии с этим и напряженность поля ?макс для ВК-4 больше, чем для ВК-2.

Так же как из материала ВК-2,из материала ВК-4 изготовляются вариконды в серийном производстве.

Материал ВК-5.Он имеет самые высокие нелинейные свойства и самые высокие значения диэлектрической проницаемости ?макс из всех известных в настоящее время керамических еегнетоэлектриков. На рис.1.9 приведены зависимости диэлектрической проницаемости BaTiO3, ВК-1, ВК-2 и ВК-5 от напряженности переменного поля. Его коэффициент нелинейности K~ = 40?50, ?макс =80000?100000. Максимальное значение диэлектрической проницаемости материала ВК-5 достигается при напряженности поля Eмакс =80?100 в/мм.

По степени нелинейности могут быть сопоставлены характеристики керамики ВК-5 и известного сегнето-электрика ТГС.

Диэлектрическая проницаемость ТГС достигает максимума для низких частот при полях примерно 30 в/мм раньше, чем диэлектрическая проницаемость ВК-5.

Однако высокая нелинейность варикондов из материала ВК-5 сохраняется в более широком спектре частот, чем у ТГС.

Высокая степень нелинейности характеристик материала ВК-5 сохраняется в широком интервале температур, от точки Кюри до весьма низких значений.

При снижении температуры от комнатной до --(140?150)°С коэффициент нелинейности значительно увеличивается от 40--50 до 320--360.

Величина Eмакс несколько увеличивается при снижении температуры и уменьшается при повышении темпе ратуры выше 20°С. Для титаната бария, материалов ВК-2 и ВК-5 определялся коэффициент прямоугольности Kп петли гистерезиса. Установлена определенная связь между коэффициентами нелинейности и прямоугольности: чем выше K~ тем выше Kп Однако даже для материала ВК-5 коэффициент прямоугольности при комнатной температуре не превышает 60--65% и возрастает до 85% при весьма низких температурах.

Из материала ВК-5 изготовляются объемные образцы ограниченных размеров на номинальные значения емкости от 10 до 10000 пф.

Материал ВК-6. Он отличается от ранее рассмотренных материалов наиболее высокими значениями температуры Кюри ( TС = 200±20°С), низким значением начальной диэлектрической проницаемости (?нач = 400--500). Материал обладает высокими нелинейными и изоляционными свойствами. При температуре 100° С величина рv?1012 ом*см, т. е. такого же порядка, что и у технических образцов титаната бария. Специфической особенностью этого материала является высокая прямоугольность петли диэлектрического гистерезиса. Это открывает новые возможности использования варикондов в качестве запоминающих и логических элементов электронно-вычислительных машин. У материала ВК-6 K~= 20?50 при Eмакс = 500?700 в/мм, ?макс =10000?22000, коэффициент прямоугольности Kп = 0,85?0,94, насыщение поляризации достигается при Енас=1,5?2 кв/мм; величина полной поляризации, измеренной на участке насыщения при 3--5 Ес, равна 13--14 мкк/см2. При увеличении напряженности поля поляризация материала ВК-6 сначала возрастает медленно, затем, начиная с некоторого значения поля, равного 300--400 в/мм, очень быстро и далее достигает участка насыщения. Чем ниже температура, тем отчетливее проявляется участок слабого изменения Р.

При снижении температуры от +100 до --100° С форма петли гистерезиса, снятая в сильном поле, меняется мало, немного снижаются полная и остаточная поляризация, монотонно возрастает коэрцитивное поле, коэффициенты прямоугольности и нелинейности сохраняют высокие значения во всем исследуемом интервале температур.

Высокие значения напряженности поля насыщения, а также Емакс и Ес затрудняют использование объемных образцов из этого материала. Для снижения величины управляющих и переполяризующих напряжений вари-конды из материала ВК-6 изготовляются в виде тонких "ленок площадью от 1 до 100 мм2 и толщиной от 200 До 5--10 мкм. При изменении толщины от 1000 мкм для массовых образцов до 5--10 мкм для пленок практически остаются постоянными такие параметры, как спонтанная поляризация, ?нач, ?Tс , ?макс, коэффициент нелинейности и прямоугольности,коэрцитивное поле, поле насыщения и др.; при изменении толщины не происходит смещения температуры Кюри, не изменяется форма петли гистерезиса.

Применение пленочных варикондов вместо объемных образцов позволяет значительно снизить управляющие и переключающие напряжения.

Для лучших пленочных образцов ВК-6 толщиной 5--7 мкм три переменном напряжении Uмакс=8 в и управляющем напряжении U?=15 в коэффициент управляемости K?=15.

Как уже указывалось, при изучении электрических свойств нелинейной керамики ВК-2, ВК-5 и титаната бария была установлена корреляция между коэффициентами нелинейности и прямоугольности-. чем выше K~, тем выше Kп При температуре --150° С коэффициент прямоугольности материала ВК-5 Kп ?0,85. Форма петли гистерезиса керамики ВК-5 была близка к прямоугольной. Эти данные были использованы при создании материала ВК-6.

Измерение переключающих характеристик ВК-6 проводилось по методике, изложенной в работе ,и на установке, обеспечивающей получение импульсов длительностью до 10 мксек с фронтом нарастания импульса 0,1 мксек и выходным сопротивлением генератора rвых=10 ом. При воздействии электрического поля E=(4?5) Ес обеспечивается переключение пленок ВК-6 разных толщнн за очень короткое время 0,3--0,6 мксек, что сопоставимо со временем переключения монокристаллов ВаТiOз.

Вариконды из материала ВК-6 обеспечивают устойчивую сохранность записанной информации во времени. Самопроизвольный распад остаточной поляризации в образцах происходит в первые 2--3 мин после снятия поляризующего напряжения. При этом остаточная поляризация снижается на 10--15%. Периодические измерения основных параметров образцов при хранении их в течение года не показали заметных необратимых изменений в материале.

Материал ВК-7. В нем используется особое состояние нелинейных сегнетокерамических материалов; его температура Кюри ниже комнатной, и в нормальных условиях он находится в параэлектрическом состоянии. Основной характеристикой этого материала является реверсивная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности постоянного смещающего поля, измеренная в слабом переменном поле. Реверсивная зависимость ?(E?) ВК-7 проявляется в широком спектре частот и мало изменяется в интервале 1--10000 Мгц. (При более высоких частотах измерения не проводились). Это обусловлено тем, что в параэлектрической области не проявляется заметная дисперсия ? вплоть до инфракрасного диапазона волн. Начальное значение диэлектрической проницаемости ?нач = 2000?4000; при воздействии постоянного поля E?=3000 в/см ?нач снижается в 2--3 раза.

Диэлектрические потери вещества в параэлектрическом состоянии значительно ниже, чем в сегнетоэлектри-ческом состоянии; в широком спектре частот tgб у керамики ВК-7 почти на порядок ниже, чем у титаната бария и других сегнетокерамических материалов, предназначенных для изготовления варикондов. На рис.1.10 сопоставлены частотные зависимости tgб титаната бария и материала ВК-7, измеренные в слабом поле (заштрихованные области показывают возможный разброс значений tgб для этих материалов.

Для лучших образцов керамики ВК-7 tgб имеет следующие значения.

Сочетание достаточно низких потерь ВК-7 в области частот от мегагерц до СВЧ и хорошей управляемости диэлектрической проницаемости K??2 позволяет рекомендовать вариконды из материала ВК-7 для применения в области частот от единиц до тысяч мегагерц.

Параметры варикондов из материала ВК-7 достаточно сильно меняются при изменении температуры. При нагревании образцов от комнатной температуры в сторону высоких значений уменьшается ?, tgб и коэффициент управляемости, это является одним из наиболее серьезных недостатков материала ВК-7. Поэтому в практических схемах образцы должны быть термостатиро-ваны.

В случае создания планарных конструкций варикондов температурная зависимость ? существенно снижается, а управляемость сохраняется.

Из материала ВК-7 изготовляются как дисковые, так и пленочные вариконды. В случае дисков толщиной 0,3--0,5 мм емкость может составлять от нескольких десятков до нескольких тысяч пикофарад. Для пленок управляющие напряжения могут быть небольшими.

Начато изготовление пленок ВК-7 толщиной 200-- 100 мкм и меньше. Свойства пленок соответствуют свойствам объемных образцов.

Под руководством О.Г.Вендика на основе варикон-да ВК-7 разработана конструкция параметрического усилителя и впервые получено усиление на СВЧ.

Все рассмотренные здесь материалы являются хорошими диэлектриками (у стандартных образцов при 100°С рv?1012 ом·см) и сохраняют высокие нелинейные свойства в широком интервале температур -- от точки Кюри до глубоких отрицательных значений (измерения проводились вплоть до --170°С). Их параметры изучаются в различных условиях в зависимости от требований рабочей схемы. Например, для оценки нелинейности свойств варикондов из материалов ВК-1, ВК-2 помимо зависимости ? от E~ рассматривают форму напряжения или тока в простейшей цепи, содержащей нелинейный элемент. напряжения имеет вид пиков, при емкостном сопротивлений-- вид колокола (рис.1.11).

1.2 Частотные характеристики

Исследование варикондов в широком спектре частот, от низких до СВЧ, в слабых полях позволило установить, что все типы варикондов из материалов ВК-1 ВК-4, так же как и титанат бария, в сегнетоэлектриче-ском состоянии имеют диэлектрическую дисперсию в диапазоне СВЧ: величина снижается, a tg6 возрастает. В параэлектрической фазе при значительном удалении от точки Кюри СВЧ дисперсия отсутствует. В области фазового перехода дисперсия проявляется по-разному для разных составов керамики, в зависимости от степени размытия фазового перехода. Для материалов с острым фазовым переходом выше точки Кюри дисперсия е не наблюдается. Исследования были проведены до 37 Ггц. Для материалов с размытым фазовым переходом дисперсия заметна в параэлектрической фазе: для керамики ВК-2 в температурном интервале до 20°С, а для керамики ВК-3 --до 100°С от точки Кюри.

При повышении частоты от низких значений технической частоты до радиочастот 107--108 гц наблюдается незначительное и плавное уменьшение е сегнетокерами-ки; заметная дисперсия ? наступает в диапозне частот 108--1010 гц, диэлектрическая проницаемость снижается в 2--2,5 раза при изменении частоты от 1 Мгц до 9,4 Ггц. Величина tgб при изменении частоты от промышленной до 105--106 гц снижается незначительно, а при более высокой частоте резко возрастает; tgб при частоте 9,4 Ггц более чем на порядок превышает свое значение при частоте 1 Мгц. В работе при частоте 40 Ггц было обнаружено снижение tgб керамического ВаТiO3, некоторых типов варикондов и сегнетоэлектриков. Этот экспериментальный результат является весьма важным, на основе его могут быть рассмотрены новые применения сегнетоэлектриков на миллиметровых волнах. Дальнейшими исследованиями должны быть установлены области частот, при которых возможно снижение tg6 и сохранение управляемости ?.

На рис.18,а приведены зависимости диэлектрической проницаемости и tgб от частоты для ВаТiO3, ВК-2 и ВК-4, измеренные в слабом тюле. В качестве примера для материала ВК-2 показано влияние постоянного смещающего поля на величину в в широком спектре частот (рис. 18,6). Если при низких и радиочастотах наложение смещающего поля Е?=2кв/мм может вызвать изменение диэлектрической проницаемости в 2--2,5 раза, то при частоте 1010 гц это изменение становится меньше, однако управляемость е все еще сохраняется. Другие нелинейные материалы также обладают высокими коэффициентами управления вплоть до сантиметрового диапазона волн. Особенно сильно проявляется изменение е от величины постоянного поля для керамики ВК-3. При комнатной температуре е изменяется от 8000 до 1500 при 106 гц и от 4000 до 1500 при 1010 гц, если постоянное поле возрастает от нуля до 2 кв/мм.

И.В.Ивановым проведено измерение динамической нелинейности сегнетокерамики в полях СВЧ. Им показана возможность удвоения частоты с помощью варикондов от 500 до 1000 гц. Динамическая нелинейность обнаружена как в пара-, так и в сегнетоэлектрической фазе; максимальное значение коэффициента динамической нелинейности, так же как и статической (реверсивной), наблюдается при температуре Кюри .

Начаты исследования варикондов в сильных полях при высоких и сверхвысоких частотах. Поскольку в сильных полях поляризация связана с переориентацией доменов, имеется резко выраженная зависимость ? и tgб от частоты. При увеличении переменного поля в керамике ВК-2 е от начального до максимального значения возрастает в 30 раз при частоте 50 гц, и в 15 раз при частоте 0,3 Мгц, ?нач в этом интервале частот практически не изменяется. Несмотря на значительное снижение смаке при увеличении частоты, нелинейные свойства материала проявляются вплоть до СВЧ.

Для практических целей важно знать характеристики варикондов при одновременном воздействии двух или нескольких напряжений, отличающихся по амплитуде, частоте и форме. Помимо хорошо изученных реверсивных зависимостей, когда к вариконду прикладывается постоянное и переменное напряжение, исследуются свойства варикондов при воздействии нескольких синусоидальных напряжений, отличающихся то частоте и амплитуде, в том числе при использовании высокочастотной подкачки. Такие исследования чаще всего проводятся по специально разработанной методике в схемах, где вари-конд служит активным управляемым элементом.

Совокупность электрических характеристик варикондов определяет выбор оптимальных режимов их практического использования.

1.3 Конструкции варикондов

Наиболее распространенной конструкцией варикондов является дисковая с диаметром от I до 25 мм и толщиной 0,4--0,8 мм; для малых номинальных значений емкости варикопды делаются в виде шарика, для средних--в виде диска, для больших -- в виде блока, состоящего из нескольких параллельно включенных дисков.

При изготовлении варикондоп из материалов ВК-1?БК-7 в виде дисков получают значения номинальной емкости в следующих пределах:

ВК-1…….10 пф-- 0,15 мкф

ВК-2…….10 пф-- 0,22 мкф

ВК-3…….100 пф--1,0 мкф

ВК-4…….10 пф-- 0,1 мкф

ВК-5…….10 пф-- 0,01мкф

ВК-6…….10-- 1000 пф

ВК-7…….1-- 1000 пф

Из материалов ВК-2 и ВК-4 вариконды изготовляются в серийном производстве по техническим условиям УБО.460.038ТУ, из материалов ВК-З, ВК-5, ВК-6, ВК-7-- в условиях опытного производства.

По конструктивному оформлению вариконды из ВК-2 и ВК-4 не отличаются друг от друга; из материала ВК-2 изготовляется 9 видов варикондов, а из ВК-4 -- семь. Для варикондов, обозначенных ВК2-ЗШ и ВК2-БШ, используется только материал ВК-2. В табл.1.1 приведены вид, номинальная емкость, форма и размеры варикондов, изготовляемых в серийном производстве из материалов ВК-2 и ВК-4.Сокращенное наименование вида вариконда складывается из сокращенного слова «вариконд» (ВК), цифры, обозначающей тип массы (2 или 4) с температурой Кюри +75±10°С и 110±10°С соответственно, и цифры (или буквы), указывающей тип вариконда.

Таблица 1.1

Вариконды ВК2-М и ВК4-М являются малогабаритными; они оформляются в виде шарика диаметром 1,5-- 2 мм; изделия изготовляются на два номинальных значения емкости -- 10 и 22 пф. Вариконды ВК2-ЗШ и ВК2-БШ предназначены для использования в качестве шунтов индуктивности. По размерам и номинальным значениям емкости вариконды ВК2-ЗШ соответствуют варикондам ВК2-3, а вариконды ВК2-БШ -- варикондам ВК2-Б и отличаются от них только тем, что имеют две пары выводов от каждой металлической обкладки. Вариконды остальных видов имеют форму дисков диаметром от 4 до 25 мм.

Коэффициент нелинейности варикондов по напряжению переменного тока K~= Смакс/Снач не менее 7 для ВК2-Б, ВК2-БШ и ВК4-Б и не менее 8 -- для всех остальных видов варикондов.

Интервал рабочих температур для варикондов из материалов ВК-2 от --40 до +60° С; ВК-4 от --40 до + 85°С при относительной влажности воздуха до 98%.

Сопротивление изоляции в нормальных условиях для серии варикондов от ВК2-0 и ВК4-0 до ВК2-4 и ВК4-4 не менее 5 000 Мом и для ВК2-М, ВК4-М, ВК2-ЗШ, ВК2-Б, ВК2-БШ и ВК4-Б не менее 500 Мом.

Все типы варикондов выдерживают без повреждения, пробоя и поверхностного разряда кратковременное воздействие постоянного испытательного напряжения 400 в и длительное воздействие напряжения 160 в при частоте 1 000 гц, рабочее напряжение 100 в для варикондов ВК-2 и 160 в для варикондов ВК-4. В табл.1.2 приведены основные характеристики варикондов ВК-2 и ВК-4.

Таблица 1.2

Номинальная емкость у всех видов варикондов, кроме блоков, измеряется при напряжении 2 в и частоте 1 000 гц; а у варикондов-блоков -- при напряжении 5 в и частоте 50 гц. Допустимое отклонение емкости от номинала составляет от --20 до +50%. При дополнительной отбраковке допуски могут быть снижены.

Для предохранения поверхности варикондов от загрязнения последние покрываются защитным лаком или компаундом красного цвета. Отдельные типы варикондов, как, например, вариконд ВК2-М, ВК4-М, покрываются эпоксидной смолой белого цвета.

При увеличении напряжения емкость варикондов возрастает. ак для материала ВК-2 при напряжении Uмакc=60?100 в и ВК-4 при напряжении 80--120 в она достигает максимального значения, которое в 8-- 10 раз превышает номинальное значение.

Кроме таких варикондов разрабатываются и другие виды на более высокое рабочее напряжение, более резкую зависимость емкости от напряжения, а также с повышенной температурной стабильностью характеристик.

2. Изготовление керамических конденсаторов

2.1 Изготовление конденсаторных элементов

Технология изготовления может иметь определенные отличия при получении дисковых или пластинчатых плоских, трубчатых, многослойных керамических конденсаторов, крупных конденсаторов высокого напряжения и т.п.. В табл.2.1 приведены составы шихты, предназначенной для изготовления керамических конденсаторов с высокой ?s. Если использовать эти материалы, то, очевидно, исключается операция составления шихты.

Таблица 2.1. Составы шихты для керамических конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью

Трубчатые малогабаритные керамические конденсаторы обычно имеют толщину стенки 0,2--0,5 мм, поэтому формование сухим способом затруднительно, и обычно их изготовляют протяжкой мокрым способом. При изготовлении изоляторных трубок из обычной керамики исходные компоненты содержат определенное количество глинистых материалов и поэтому для придания пластичности достаточно лишь добавить соответствующее количество воды. Кроме того, толщина стенок у изоляторных трубок больше, что также облегчает протяжку. В случае же керамических диэлектриков исходные компоненты сами по себе абсолютно не пластичны, поэтому в них вводят 7--10 масс. % связки. В качестве связки используют клейстер из пшеничной муки, сахар и другие материалы, их необходимо тщательно смешать с исходными компонентами, так как плохое смешивание становится причиной образования пор типа булавочных уколов. Кроме того, в связи с попаданием в смесь пузырьков воздуха для их удаления желательно использовать вакуумную массомялку, позволяющую при том же количестве связки получать более высокую пластичность. Из трубчатого мундштука масса выдавливается так же, как при изготовлении макарон. В мундштуке создается довольно значительное трение, поэтому со временем стенки трубки возрастает. Это оказывает влияние на емкость конденсатора. Полученные протяжкой трубки содержат определенное количество связки и воды, поэтому необходима медленная сушка. Интенсивная сушка приводит к искривлению трубок, образованию трещин. По прошествии определенного времени разрезают в соответствии с заданными размерами. Затем тщательно высушивают, помещают в капсели и обжигают. При изготовлении трубок таким способом необходимо уделять бое внимание процессам сушки и удаления связки, поскольку количество связки в данном случае значительно больше, чем при изготовлении дисков и пластин сухим способом.

Кроме того, иногда удобно пластины толщиной 0,2 мм и меньше (в обожженном виде) формовать рассмотренным выше способом тяжки, а для придания желаемой формы (пластины или диска) использовать метод штамповки.

2.2 Электроды для конденсаторов

В качестве электродов для керамических конденсаторов, начиная с того времени, когда подобные конденсаторы получили практические применение большей частью используют серебро, наносимое методом вжигания. В Европу эта техника возможно попала из Японии, где она издревле применяется для декодирования бытовой керамики. Этот традиционно применяемый способ вжигания серебра, под каким бы углом зрения его ни рассматривать, несомненно, остается одним из лучших, которому и сегодня, кажется, не видно замены. В последнее время в отдельных случаях пытаются использовать безэлектролизное гальваническое покрытие и другие способы, однако это, скорее, имеет целые понизить стоимость. Что же касается характеристик, то метод вжигания серебра не имеет себе равных. Кроме того, многие также считают хорошим метод напыления, однако ни по адгезии, ни по электрическим характеристикам электродов с методом вжигания серебра сопоставит, его нельзя. В последнее время также получили практическое применение многослойные конденсаторы, у которых электроды из драгоценных материалов, например из платины создаются между слоями керамики во время спекания. Для проведения вжигания серебра черный порошок окиси серебра (Ag2O) смешивают с 5--10 масс. % стеклянного порошка, называемого фриттой и содержащего боросиликат свинца, замешивают в связке, основными компонентами которой могут быть растворитель, смола, масло, и наносят на поверхность; при этом консистенция полученной пасты должна позволять мазать ее, как тушь. В массовом производстве для нанесения электродов на керамику используют технику печати. Если после нанесения пасты керамику нагреть до 500--800°С, то органические материалы разложатся и улетучатся, окись серебра восстановится и образует зерна серебра, фритта расплавится, создав плотное соединение зерен серебра с поверхностью керамики. Возможности конденсаторов в очень большой степени зависят от техники нанесения электродов. Иногда характеристики диэлектриков определяются характеристиками электродов.

Таблица 2.2. Составы фритт, %

В табл.2.2 приведены несколько составов фритт. Для изготовления фритты такие смеси загружают в керамические тигли, нагревают, полностью расплавляют, затем расплав охлаждают, выливая его из тигля вводу, полученный продукт измельчают в ступке. Помимо окиси серебра, иногда примешивают немного металлического или коллоидного серебра. Кроме того, нужно тщательно следить, чтобы в серебре не было хлористого серебра (AgCl) и натрия, так как эти материалы оказывают отрицательное влияние на влагостойкость конденсаторов.

При малом количестве образцов для экспериментов серебряную пасту можно наносить кисточкой, а при массовом производстве используют метод печати через трафарет и метод пульверизации. Если при вжигании серебра в период разложения органических материалов резко повышать температуру, то это окажет отрицательное влияние, в частности, на tg6 конденсаторов, что объясняется эффектом восстановления в процессе вжигания. На рис.2.1 показан пример режима подъема температуры при вжигании серебра.

В последнее время серебряная паста, а также проводящая паста из драгоценных металлов (Au, Pt, Pd), применяемых для многослойных конденсаторов, появились в продаже.

При слишком малой толщине электродов емкость конденсатора падает. Данное явление, очевидно, вызвано неровностями поверхности керамического диэлектрика, а также неодинаковым ее состоянием. В случае керамических конденсаторов на основе TiO2 это явление наблюдалось при толщине серебра менее 0,03 мкм и толщине алюминия менее 0,1 мкм. Эта разница, определяемая металлом, также, очевидно, может колебаться в зависимости от трудности напыления и умения пользоваться техникой, но, несомненно, следующее: если толщина электродов меньше некоторого предела, определяемого состоянием поверхности керамики и условиями напыления, то емкость снизится.

3. Основные применения

3.1 Возможные применения импульсных схем, управляемых с помощью варикондов

Применение варикондов для управления параметрами хронирующих цепей в импульсных схемах позволяет более полно использовать потенциальные возможности схем по расширению диапазона управления и увеличению чувствительности к управляющему напряжению. В результате применения варикондов характеристики схем приобретают реверсивные свойства и допускается телеметрическое и безваттное управление параметрами импульсов по различным законам во времени.

Особенно эффективны схемы с двойным управлением (и тройной регулировкой). В связи с этими преимуществами становятся возможными и некоторые новые применения импульсных схем.

Электронные схемы задержки импульсов типа спусковых схем и фантастропных генераторов могут быть использованы, например, в качестве:

1)преобразователей постоянного или медленно изменяющегося напряжения в импульсное, длительность импульсов которого соответствует заданным уровням напряжения. При этом чувствительность преобразования может достигать величины SU = 80?2700 мксек/в;

2) приборов для непосредственного измерения, сравнения или отбраковки нелинейных емкостей по реверсивным характеристикам методом эквивалентной задержки;

3)приборов для осциллографического наблюдения, исследования, измерения нестабильности пли пределов изменения постоянного пли медленно изменяющегося напряжения методом эквивалентной задержки и модуляции длительности импульсов, т.е. в качестве высокочувствительных малогабаритных датчиков систем допускового контроля;

4)схем функциональной задержки «с реверсом» после максимума по закону, близкому к линейному, экспоненциальному или параболическому, в зависимости от выбранного участка характеристики вариконда и т. д.

Импульсные генераторы, хронирующие цепи которых управляются с помощью варикондов, могут найти применение в качестве:

а)делителей частоты следования импульсов с переменным коэффициентом деления, управляемым по любому закону во времени;

б)чувствительных преобразователей времени в схемах шифраторов при импульсно-кодовой модуляции и схемах цифровых преобразователей времени счетных машин и, очевидно, во многих других случаях.

Простейшие цепи rCв типа дифференцирующих, интегрирующих и переходных при включении вместо линейной емкости варикондов, управляемых по заданному закону электрическим напряжением смещения, могут найти повое и широкое применение в астатических следящих системах каналов управления и в различных цепях обратной связи, где требуется изменение постоянной времени цепей в ходе слежения, или там, где необходимы управляемые коэффициенты передачи звеньев в цепях обратной связи, в каналах следящих систем и т. л.

Следует отметить, что исследование свойств и разнообразных применений варикондов подтверждает перспективность их использования в различной электрорадиотехнической аппаратуре, в том числе и в импульсных схемах. При этом несомненными оказываются возможности получения качественно новых характеристик в схемах с варикондами, как в ламповом, так и в полупроводниковом исполнении.

3.2 Возможности построения кодирующих устройств -- шифраторов

В современных импульсных шифраторах, использующих кодово-импульсную модуляцию с квантованием, преобразование мгновенных значений (уровней) напряжения, несущего информацию, или модулирующего напряжения в необходимый набор импульсов (код) осуществляется весьма сложными электронными схемами.

Для кодирования способам время-импульной модуляции требуются: делителе частоты следования импульсов, линии задержки, селекторные каскады совпадения, суммирующие усилители и нормирующие каскады, как правило, по числу n-значности кода, двоичного в простейшем случае. В таких шифраторах смена кода осуществляется механическим переключением ячеек линий задержки.

Для кодирования способом число-импульсной модуляции применяют преобразователи времени, основанные на методе сравнения напряжения входного сигнала, несущего информацию, c опорным. Обычно опорное напряжение вырабатывается фантастронными схемами, а сравнение выполняется на специальных схемах сравнения уровней -- временных модуляторах. В состав таких шифраторов входят генераторы измерительного (опорного) напряжения, схемы сравнения, вентили, каскады совпадения, вспомогательный и основной счетчики импульсов, преобразующие ряды импульсов в двоичный код.

Используя свойство варикондов изменять диэлектрическую проницаемость ?, а значит, и емкость Cв под действием внешнего электрического поля, можно предложить новый способ преобразования непрерывного сигнала Uвх (t) в группы импульсов, параметры которых будут однозначно соответствовать мгновенным уровням входного сигнала.

Ступень квантования в таком преобразователе будет определяться чувствительностью схемы к управляющему напряжению сигнала, т.е. крутизной характеристики преобразования и стабильностью работы устройства.

Высокая управляемость импульсных реверсивных характеристик варикондов и пленочном исполнении обеспечивает большую чувствительность схем с варикондами" к управляющему напряжению вместе с возможностью управления емкостью Cв = f(Uв) по любому закону во времени.

Например, если на вариконд, включенный в схему блокинг-генератора (или в спусковую схему), подавать дополнительно к постоянному напряжению смещения управляющее напряжение, переменное во времени, то можно получить модуляцию длительности импульсов или периода их следования по закону изменения емкости вариконда, определяемому характеристикой Cв = f(Uв) для данного действующего напряжения. Схема (рис.3.1) позволяет получить модуляцию импульсов спусковой схемы по длительности п соответствии с управляющим пилообразным напряжением, подаваемым на вариконд (в точку а схемы рис.3.1) от фантастронного генератора. В зависимости от величины начального постоянного смещения на вариконде, определяющего выбор рабочей точки на восходящей или нисходящей ветви характеристики tи=f(Eсм) можно получить нарастающую или убывающую по длительности серию импульсов спусковой схемы.

На рис.3.2,а показана осциллограмма напряжения (Ua2) на втором аноде лампы спусковой схемы рис.3.1, полученная при линейно изменяющемся управляющем напряжении Uy =-Kt. Вид модуляции, таким образом, определяется положением начальной рабочей точки на характеристике управления tи = f(Eсм), формой и полярностью переменного во времени управляющего напряжения Uy (t).

Если па входы селектора подать модулированные по длительности импульсы спусковой схемы (рис.3.2,а) и заполняющие импульсы основной частоты v3, кратные частоте запуска спусковой схемы и фантастрона v1=(1/n)v3, то на выходе селектора можно получись комбинации числа импульсов, соответствующие амплитуде, закону изменения управляющего напряжения и величине смещения на вариконде (рис.3.2,6).

Осциллограммы (рис.3.2) приведены для v1 = 500 гц, v3 = 4 кгц и амплитуды пилообразного напряжения фантастропа Uр макс = 40 в при tи = 5000 мксек.

Вариант схемы шифратора с селектором изображен на рис.3.3. Он является простейшим и составлен специально для примера из фантастрона и спусковой схемы. Несмотря на крайнюю простоту такого шифратора с варикондами, с его помощью можно получить весьма сложные и многочисленные комбинации кодов.

Опорный ряд импульсов частоты повторения vs поступает на один вход селектора, управляемого импульсами спусковой схемы с частотой следования

v1=(1/n)v3.

Фантастрон работает в режиме деления частоты так, что

v2=(1/m)v1

где n>m -- целые числа. Закон изменения числа импульсов в каждой кодовой группе (рис.3.2,б) обеспечивается пилообразным напряжением фантастрона и величиной Eсм на вариконде спусковой схемы (рис.3.1), изменяемой потенциометром rп1.

Длительность пилообразного импульса около 5000 мксек. На выходе спусковой схемы с варикондом длительность прямоугольных импульсов и период их следования изменяются во времени, как показано на рис.3.2,а.

При увеличении напряжения смещения Есм2 длительность импульсов спусковой схемы и их число за время действия модулирующего напряжения изменяются. Кроме того, с переходом после максимума на реверсивный участок характеристики управления изменяется и закон модуляции импульсов. Из спадающего по длительности ряд импульсов становится спадающе-нарастающим и, наконец, нарастающим по длительности.

Управляя напряжением смещения, амплитудой модулирующего напряжения и законом его изменения, можно получать различные комбинации групп импульсов с пилообразным, синусоидальным, экспоненциальным, ступенчатым и т.п. законами изменения длительностей импульсов в группе при односторонней или двусторонней модуляции.

Использовав импульсы спусковой схемы в качестве стробирующих для селектора, на выходе селекторного каскада получим кодовые комбинации нормированных по длительности импульсов. Число импульсов в кодовой

группе определяется длительностью соответствующего импульса спусковой схемы и изменяется в пределах кодовой пачки по закону модуляции длительности стробирующих импульсов во времени (рис.3.2,б).

На этом принципе можно построить различные варианты шифраторов, у которых управление параметрами кодовых групп будет выполняться раздельно или одновременно:

-- по числу импульсов в кодовой группе nгр;

-- по числу групп импульсов в пачке кода Nгр;

-- по периоду следования кодовых групп в пределах пачки Tгр;

-- по периоду следования импульсов кода в группе Tи;

-- по закону изменения указанных параметров кода во времени от пачки к пачке Uy (t).

Так, например, вместо пилообразного напряжения фантастрона в схеме (рис.3.3) можно использовать синусоидальное напряжение управляемой частоты и амплитуды.

Если перед селектором поставить еще и блокинг-генератор с варикондом, управляемый тем же (или другим) модулирующим напряжением, то будет изменяться частота следования импульсов в кодовой группе. Можно в фантастрон включить вариконд по схеме с двойным управлением (рис.3.4) и изменять дополнительно период следования пачек кодовых групп по нужному закону во времени и т.д.

Таким образом, предлагаемый способ электрического управления параметрами импульсного кода при весьма простом схемном осуществлении может обеспечить независимое или согласованное одновременное изменение по крайней мере четырех параметров последовательности импульсов. Описанный выше вариант шифратора является простейшим.

Источник анодного напряжения Eа=+300 в имел ионную стабилизацию. При замене генератора, обеспечивающего частоту v3 = 4 кгц, калибратором дистанций 27-И частота v3 была равна 15 кгц, причем шифратор работал так же стабильно, как при v3 = 4 кгц.

Разрешающая способность шифратора по схеме рис.3.3 достаточно высокая и может характеризоваться величиной ступеньки квантования порядка 0,36--3 в в зависимости от величины постоянного смещения на вариконде,определяющего чувствительность схемы с варикондом БК4--524пф. Потенциальная величина разрешающей способности схемы кодирования, очевидно, будет определяться чувствительностью схемы временного преобразователя (в данном случае спусковой схемы с варикондом) к управляющему напряжению и стабильностью работы схемы.

В зависимости от конкретных технических условий может быть составлена соответствующая схема шифратора, обеспечивающая управление необходимыми параметрами кодовых групп.

Исследование принципов построения кодирующих устройств с управляемыми параметрами, рассмотрение количественных характеристик возможных комбинаций кодов и анализ статистических данных шифраторов ограничивает круг вопросов, представляющих самостоятельную тему, несомненно актуальную для практического применения в различных устройствах телеметрической и связной аппаратуры.

В качестве некоторых возможных применений такого способа кодирования можно указать следующие:

1)для использования в системах опознавания с дистанционным управлением кодом;

2)для кодированной передачи уровней напряжения, несущего информацию;

3)для телеметрического управления;

4)для радиотелеграфной и импульсно-телеграфной связи;

5)для цифровых вольтметров и т. п.

Спусковая схема или другая схема, управляемая через вариконд, выполняющая роль преобразователя «напряжение--время», может использоваться в цифровых счетных машинах в качестве преобразователя времени. Для этого выход селектора нужно подключить к обычному регистру или триггерному счетчику на необходимое число разрядов двоичного кода. В этом случае код на выходе селектора будет состоять из одной группы импульсов с периодом повторения Tи2= l/v2, число импульсов в которой будет пропорционально амплитуде управляющего напряжения на вариконде, а на выходе счетчика это число будет закодировано двоичным кодом. Модулятор (фантастрон) при этом не нужен.

Вывод

Одним из перспективных направлений развития импульсной техники является использование новых, преимущественно нелинейных, радиотехнических приборов и материалов, позволяющих разрабатывать импульсные схемы и устройства, основанные на ранее неизвестных эффектах, обеспечивающих получение принципиально отличных способов управления параметрами импульсов и более эффективных количественных характеристик импульсных схем.

Вариконды как нелинейные емкости, созданы на основе сегнетокерамики. Они являются представителями новых радиотехнических приборов, а их применение в качестве электрически управляемых безынерционных чувствительных элементов импульсных устройств до сих пор исследовано недостаточно и весьма слабо освещено в технической литературе.

Широкое внедрение импульсных методов и устройств в радиолокацию, телемеханику, автоматику, вычислительную технику, аппаратуру систем автоконтроля и автоматического управления делает весьма актуальной проблему эффективного и быстрого использования новых технических возможностей, предоставляемых вариконда ми для электрического управления характеристиками импульсных схем в ламповом, транзисторном и микромодульном исполнении.

Применение варикондов в качестве электрически управляемых чувствительных элементов импульсных схем позволяет:

а)получать качественно и количественно новые характеристики управления схемами, недостижимые в этих схемах с линейными конденсаторами;

б)увеличить чувствительность и диапазон управления параметрами импульсов в десятки раз при реверсивных (если необходимо) свойствах характеристик управления;

в)осуществлять автоматическое управление такими параметрами импульсов и схем, как длительность, период следования, коэффициент деления частоты, коэффициент пересчета и др.;

г)полностью использовать потенциальные возможности схем путем осуществления «двойного», «тройного» управления и т. д.

До настоящего времени наиболее существенными недостатками импульсных устройств, ограничивающими возможности применения импульсных генераторов, являются трудности в обеспечении высокой временной стабильности параметров импульсов и недостаточно широкий диапазон плавного управления ими по длительности и по амплитуде.

Литературa

1. Вариконды в электронных импульсных схемах. Под ред. В.Ю.Булыбенко. Издательство «Советское радио», 1971г.

2. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева - Т.3. Энергоатомиздат, 1988г.

3. Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков, Энергия, Москва, 1976г.

4. Вариконды ВК-2, ВК-4: www.155la3.ru/varikond.htm