СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕМКОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА И КОНДЕНСАТОР ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТИ НА ОСНОВЕ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD FOR MANAGING THE CAPACITY OF ELECTRIC CAPACITOR AND THE CAPACITOR WITH VARIABLE CAPACITY ON THE BASIS OF THE METHOD

Изобретение относится к радиоэлектронной промышленности и может быть использовано в конденсаторостроении.
Конденсаторы переменной емкости находят широкое применение в системах автоматики, контроля и управления, генераторах электрической энергии. Принципиально, способы управления емкостью конденсатора основываются на изменении площади его обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости применяемого диэлектрического материала или их комбинации и осуществляются механически (конденсаторы переменные и подстроечные) и электрически для нелинейных емкостей (вариконды, варикапы).
При этом вариконды увеличивают емкость с увеличением напряжения на обкладках. В варикапах и их аналогах на МДП-структурах (метал-диэлектрик-полупроводник) для изменения емкости используется зависимость ширины p-n-зонного перехода от приложенного напряжения: с увеличением напряжения емкость снижается вследствие увеличения ширины гомогенного или гетерогенного перехода. Использование в схемах управления емкостью и варикапов и варикондов требует приложения специального дополнительного напряжения смещения. Варикапы имеют меньшую по сравнению с варикондами добротность, но большую стабильность емкости и меньшие потери при высоких частотах (см. Горшков А.П. «Переменные конденсаторы» // «Радио», №1, 1947; Кочеров А.В. «Конденсатор электрический» // «Большая Советская энциклопедия», М.: Советская энциклопедия, 1969 - 1978; Жеребцов И.П. «Основы электроники», Л.: Энергоатомиздат, 1985, с.137-138, 150-151).
В том числе известен способ, при котором регулирование емкости в заданном диапазоне производят за счет механического воздействия на подвижную пластину или группу подвижных пластин, путем их перемещения относительно неподвижной или группы неподвижных пластин, при этом достигают одновременного изменения расстояния между пластинами и толщины диэлектрика между пластинами. По достижении требуемого значения емкости положение пластин фиксируют. Этот способ промышленно реализован в подстроечных конденсаторах и конденсаторах переменной емкости (А.П.Горшков. «Переменные конденсаторы» // «Радио», №1, 1947).
Основным недостатком способа является необходимость передачи механического воздействия на подвижные пластины, сложность конструкции, использование дорогостоящих материалов и драгоценных металлов при изготовлении. Поэтому устройства, его реализующие, отличаются высокой металлоемкостью, сложностью конструкции, они трудно миниатюризуемы.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются способы управления емкостью конденсатора, реализованные на нелинейных конденсаторах с сегнетодиэлектриком (варикондах), при которых установку требуемой величины дифференциальной емкости по переменному напряжению в заданном диапазоне значений производят перестройкой структуры сегнетодиэлектрика с изменением реверсивной диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического материала конденсатора путем приложения к нему специального напряжения смещения, переводящего структуру диэлектрика в состояние, близкое к полному насыщению (см. Вербицкая Т.Н. «Вариконды», МРБ, вып.318, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958, с.26-32, 36-45).
В том числе, для дециметрового и сантиметрового диапазонов волн была разработана конструкция так называемых четырехэлектродных варикондов с очень малой емкостью, управляемой сравнительно слабым полем. Эти вариконды имеют вид параллелепипеда в форме тонкого и высокого бруска, электроды на котором расположены взаимно перпендикулярно, покрывая четыре грани. Толщина образца для управляющего поля выбирается наименьшей, и тогда, для получения заметного изменения дифференциальной емкости, управляющее поле достаточно изменить в небольших пределах (см. Вербицкая Т.Н. «Вариконды», МРБ, вып.318, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958, с.41-42).
Недостатком этого способа является выбор разработчиками конструкции технического решения, связанного с максимальным покрытием электродами граней диэлектрика, имеющего целью пронизать управляющим полем смещения весь объем диэлектрика вариконда в направлении, перпендикулярном основному полю, которое приводит к взаимовлиянию потенциалов электродов, деформации и управляющего и основного поля с локализацией участков их максимальных напряженностей в приповерхностных слоях и электродах. Авторами конструкции экспериментально установлено, что при одной и той же напряженности поля, достигаемый эффект изменения дифференциальной емкости данным способом не отличается от стандартного приема, при котором и управляющее напряжение и рабочее переменное напряжение подаются на одни и те же электроды, из чего вытекает неэффективность данного способа управления емкостью и неоправданность усложнения конструкции вариконда по сравнению с традиционными решениями.
7
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ и устройство, реализованное в виде составного четырехэлектродного конденсатора, по сути представляющее собой последовательное соединение двух обычных конденсаторов через вариконд, содержащий слой перестраиваемого сегнетоэлектрика. При этом крайние электроды, расположенные на его противоположных сторонах, выполняют роль обкладок конденсатора, а два внутренних - электродов управляющего поля смещения, прикладываемого к сегнетоэлектрическому диэлектрическому слою вариконда. Диэлектрик вариконда в этой конструкции традиционным образом поляризуют в направлении действия основного поля, осуществляя таким образом управление дифференциальной емкостью конденсатора по переменному напряжению. Два других конденсатора осуществляют развязку цепей управления емкостью и основных рабочих цепей, что имеет существенное значение для ряда приложений (см. «Сегнетоэлектрический вариконд со встроенными устройствами блокирования прохождения постоянного тока», патент ЕА №003062 В1, МПК H01L 29/93, 1998 г.).
Недостатками данного, выбранного в качестве прототипа, способа и реализующего его устройства являются недостаточный диапазон изменения емкости и ограничение области применения нелинейными конденсаторами с сегнетоэлектрическим диэлектриком.
Задачей изобретения является расширение возможностей электрического способа управления емкостью конденсатора в части увеличения диапазона изменения абсолютной (а не только дифференциальной) емкости конденсатора, управления емкостью конденсатором с любым поляризующимся (а не только сегнетоэлектрическим) диэлектриком и повышения эффективности действия управляющего поля.
Поставленная задача достигается тем, что для управления абсолютной емкостью электрического конденсатора изменяют среднюю диэлектрическую проницаемость диэлектрика конденсатора, путем поляризации меньшей части диэлектрика, равноудаленной от обкладок конденсатора, в направлении, перпендикулярном к основному полю конденсатора, для чего к этой части диэлектрика прикладывают управляющее электрическое поле, ориентированное поперек основного поля конденсатора. Для повышения эффективности действия управляющего поля предусмотрена возможность исполнения части диэлектрика конденсатора, находящейся между электродами управляющего поля, из анизотропного диэлектрического материала, располагаемого таким образом, чтобы его коэффициент диэлектрической проницаемости вдоль направления управляющего поля превышал коэффициент диэлектрической проницаемости по направлению основного поля конденсатора.
Физическое содержание указанного изменения средней диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора заключается в переориентации элементарных электрических диполей части диэлектрика конденсатора в сторону от направления основного поля конденсатора, с помощью поперечного управляющего поля. При этом согласно принципу суперпозиции действия электрических полей (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1974, с.344) разворот каждого элементарного электрического диполя диэлектрика будет определяться векторной суммой сил и, соответственно, напряженностей, приложенных к нему со стороны каждого из действующих полей, а в данном случае, основного и управляющего поля.
Покажем это математически. Из курса физики (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1974, с.359-372; Савельев И.В. Курс общей физики. СПб.: Лань, 2008, с.28-36, 60-83, 89-91; Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т.2. М.: Физматлит, 2008, с.75-93; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1967, с.565-569) известно следующее.
Емкость плоского конденсатора С равна:
0
где S - площадь каждой обкладки или меньшей из них, d - расстояние между обкладками, ε - электрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость (относительная) вещества, находящегося между обкладками. При этом заполнение пространства между пластинами диэлектриком увеличивает емкость в ε раз.
Дипольный момент полярного или поляризуемого элемента структуры диэлектрика (диполя) является вектором, направленным от отрицательного заряда к положительному. Численно он равен произведению расстояния между зарядами на модуль заряда. Суммарный дипольный момент единицы объема V, равный векторной сумме моментов находящихся в этом объеме N элементарных диполей, называется поляризацией:
Для изотропного диэлектрика направление вектора поляризации совпадает с направлением суммарного электрического поля с напряженностью . Его значение связано с напряженностью поля выражением:
где χ - диэлектрическая восприимчивость данного диэлектрика.
Диэлектрическая проницаемость связана с диэлектрической восприимчивостью соотношением:
Соответственно, получаем формулу для оценки значения диэлектрической восприимчивости:
Отсюда следует, что увеличение диэлектрической восприимчивости диэлектрика приводит к пропорциональному увеличению его поляризации, диэлектрической проницаемости и, в целом, емкости конденсатора.
э
р
р
Заметим, что характеристики материала диэлектрика χ и Р являются нелинейными функциями напряженности поля Е. Физически это объясняется тем, что когда большинство поляризованных или полярных элементов структуры диэлектрика (молекулы, домены и т.д.) разворачиваются по полю, наступает насыщение и дальнейший рост модуля поляризации  прекращается. Дальнейшее регулирование емкости конденсатора возможно изменением ориентации поляризации диэлектрика, что эквивалентно варьированию взятых в направлении основного поля конденсатора компонентов коэффициентов диэлектрической восприимчивости χ и диэлектрической проницаемости ε.
эр
эу
эр
эу
р
у
р
у
В условиях действия двух полей (основного рабочего, направлением «р», и управляющего, направлением «у») с напряженностями  и  (см. фиг.1), расположенных в диэлектрике взаимно перпендикулярно, поляризация , являясь векторной величиной, имеет проекции на эти направления Р и Р. При этом угол ϑ разворота элементарных диполей диэлектрика и соотношение проекций Р и Р, а также компонентов χ и χ, будет определяться отношением Е/Е:
p
у
эр
эу
р
Учитывая, что для конденсаторов выбирают диэлектрические материалы с высоким значением диэлектрической восприимчивости, можно в оценках считать ε≈χ, соответственно, принять составляющие диэлектрической проницаемости по осям «р» и «у» ε и ε пропорциональными проекциям Р и Р и приближенно вычислять ε по формуле:
ро
уo
р
у
р
ро
у
уо
уо
рo
уо
ро
Для анизотропного диэлектрика, диэлектрическая восприимчивость, определяющая влияние напряженности поля на поляризацию диэлектрика для выделенных независимых осей, в данном случае χ и χ, изначально различна и может быть согласно выражению (5) учтена в формулах (6, 7) заменой отношения Е/Е на (Е·χ)/(Е·χ), что означает при χ>χ относительное усиление эффективности действия управляющего поля в χ/χ раз.
р
у
у
эр
р
р
Таким образом, при некотором действующем уровне напряженности основного рабочего поля Е, изменяя напряженность управляющего поля Е, имеем возможность регулировать значение параметров конденсатора по контуру основного поля, последовательно: Е⇒Р⇒ε⇒С.
р
р
Приведенные выражения (1-7) создают основу для построения процесса управления значением диэлектрической проницаемости ε, а следовательно, и емкости С конденсатора по основному полю, путем изменения с помощью управляющего поля ориентации вектора поляризации  диэлектрика конденсатора.
р3
Рассмотрим возможности способа на примере регулирования приведенной на фиг.1 емкости С конденсатора по направлению «р» в слое диэлектрика 3.
p
y
ш
p
y
р
у
р
p
y
р3
Например, пусть d=3d=3d и приложены такие напряжения, что U=3U, при которых, вычисляя напряженность поля, равную E=U/d, получаем Е=Е. Тогда имеем: ε=ε·sin(45°)≈0,707ε. То есть в три раза меньшим (чем основное рабочее U) напряжением U уменьшаем значение С в 1,4 раза.
y
p
р
р3
y
P
р3
р
р3
При U=U получаем: ε=ε·sin(arctg(1/3))≈0,32ε, уменьшая значение С в 3,16 раза. При U=2U получаем уменьшение значения С в 6,08 раза и так далее, до ε=1, что будет означать предельное уменьшение емкости С в ε раз, эквивалентное замене материала диэлектрика на вакуум.
Сопоставительный анализ с наиболее близкими аналогами и прототипом показывает, что предлагаемый способ управления емкостью конденсатора и устройство на его основе отличаются иной, более универсальной и более эффективной технологией изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора.
В том числе, от способа и устройства на базе четырехэлектродного вариконда (см. Вербицкая Т.Н. «Вариконды», МРБ, вып.318, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958, с.41-42) предлагаемое изобретение отличается более широкой областью применения, распространяемой на конденсаторы с любыми поляризующимися диэлектриками с диэлектрической проницаемостью, существенно отличающейся от диэлектрической проницаемости вакуума, и иной технологией формирования управляющего воздействия поля, которое прикладывается не ко всей, а к меньшей части диэлектрика конденсатора, в том числе с анизотропными свойствами, что позволяет исключить негативное взаимовлияние электродов основного и управляющего полей и повысить эффективность управляющего поля.
7
В отличие от способа, реализованного в устройстве «Сегнетоэлектрический вариконд со встроенными устройствами блокирования прохождения постоянного тока» (см. патент ЕА №003062 В1, МПК H01L 29/93, 1998 г.), в котором эффект изменения емкости вариконда, находящегося посредине составного конденсатора, достигается традиционным для варикондов образом поляризации диэлектрика вариконда в направлении действия основного поля, осуществляя таким образом управление дифференциальной емкостью конденсатора по переменному напряжению, в предлагаемом техническом решении управляющее воздействие прикладывается к средней части любого поляризующегося диэлектрика, с возможностью исполнения его из анизотропного диэлектрика, перпендикулярно действию основного поля, что также расширяет область применения способа и повышает эффективность применения управляющего поля конденсатора.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна".
На фиг.1-3 показаны варианты конструкции конденсатора переменной емкости, реализующие предлагаемый способ управления емкостью конденсатора.
Устройство содержит, по меньшей мере, две токопроводящие обкладки 1, предназначенные для создания основного поля конденсатора, разделенные поляризующимся диэлектриком, состоящим из большей части 2 и меньшей, равноудаленной от обкладок конденсатора, части 3, по внешней поверхности которой, параллельно друг другу и перпендикулярно обкладкам конденсатора размещены, по меньшей мере, два электрода 4 конденсатора, служащие для формирования между ними управляющего поля. Управляющее поле изменяет поляризацию меньшей части 3 диэлектрика конденсатора, а следовательно, и среднюю диэлектрическую проницаемость всего конденсатора в направлении основного поля. С целью повышения эффективности действия управляющего поля, заключенная между управляющими электродами меньшая часть 3 диэлектрика конденсатора может изготавливаться из анизотропного диэлектрика таким образом, чтобы его коэффициент диэлектрической проницаемости вдоль направления управляющего поля превышал коэффициент диэлектрической проницаемости по направлению основного поля конденсатора.
На фиг.1-3 показан вариант построения устройства с любым необходимым значением регулируемой емкости конденсатора путем многократного геометрического повторения элементарного устройства, показанного на фиг.1, в направлениях А и Б с преобразованием в многослойное многоэлектродное устройство, в котором одноименные обкладки и электроды элементарных емкостей электрически соединены между собой, как показано на разрезах фиг.2, 3.
Управление емкостью конденсатора осуществляется следующим образом.
p
p
у
у
Прикладывая к обкладкам 1 конденсатора, в общем случае, переменное рабочее напряжение U(t), в частях 2, 3 диэлектрика конденсатора получают основное рабочее поле напряженностью, в общем случае, E(t). Управляющее поле напряженностью Е в части 3 диэлектрика создают приложением к электродам 4 управляющего напряжения U от источника 5 регулируемого напряжения.
y
Управление емкостью конденсатора осуществляют увеличением или уменьшением напряженности управляющего поля, путем изменения значения управляющего напряжения U, подводимого от источника 5 регулируемого напряжения. По достижении заданной величины емкости, напряженность управляющего поля сохраняют неизменной.
р
При этом, в отношении основного рабочего поля общую емкость конденсатора с обкладками 1 можно условно разбить на две последовательно соединенные емкости: постоянную емкость со слоем диэлектрика части 2 и переменную емкость со слоем диэлектрика части 3 с изменяемой диэлектрической проницаемостью (например, методику расчета см. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1967, с.621-623). Изменяя значение переменной емкости, как было рассмотрено выше, регулируют емкость С конденсатора по основному полю в целом.
Использование предлагаемого способа управления емкостью конденсатора и устройства на его основе дает, по сравнению с существующими способами электрического управления, следующий технический результат:
расширяет область применения электрического способа управления емкостью конденсатора на управление абсолютной, а не только дифференциальной, емкостью конденсатора,
позволяет управлять емкостью конденсатора с любым поляризующимся, а не только сегнетоэлектрическим, диэлектриком,
повышает экономичность процесса управления емкостью конденсатора за счет большей эффективности действия управляющего поля.
Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предполагается использование существующих, освоенных технологий конденсаторостроения и микроэлектроники, а также не требуется применение каких-либо неизвестных современной промышленности средств, материалов или элементов.