СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕМКОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА И КОНДЕНСАТОР ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТИ НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD TO CONTROL CAPACITY OF ELECTRIC CAPACITOR AND VARIABLE CAPACITOR BASED THEREON

Изобретение относится к радиоэлектронной промышленности и может быть использовано в конденсаторостроении.
Конденсаторы переменной емкости находят широкое применение в радиотехнике, 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), электрически и с помощью нелинейных элементов (вариконды, варикапы).
При этом вариконды увеличивают емкость с увеличением напряжения на обкладках. В варикапах и их аналогах на МДП-структурах (металл-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», 1947, №1; 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).
7
4
Известны способы управления абсолютной емкостью электрического конденсатора с изменением средней диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора путем поляризации части диэлектрика в направлении основного поля конденсатора или перпендикулярно к нему, для чего к этой части диэлектрика прикладывают специальное управляющее электрическое поле, а также шунтированием части диэлектрика конденсатора (см. «Сегнетоэлектрический вариконд со встроенными устройствами блокирования прохождения постоянного тока», патент EA №003062 B1, МПК H01L 29/93, 1998 г.; «Конденсатор переменной емкости», авт. св. СССР №769650, МПК H01G 7/00, 1984 г.; «Способ управления емкостью электрического конденсатора и конденсатор переменной емкости на основе этого способа», патент РФ №2443033, МПК H01G 7/00, 2010 г.; «Способ управления емкостью электрического конденсатора и полупроводниковый конденсатор на его основе», патент РФ №2474903, МПК H01G 7/00, 2011 г.). Общим недостатком конденсаторов переменной емкости этого класса является сравнительно высокая конструкционная сложность и, как правило, небольшая емкость отдельных конденсаторов.
6
Предлагаемое изобретение относится к способам управления емкостью конденсатора, связанным с изменением площади его обкладок. 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 (см. А.П. Горшков «Переменные конденсаторы» //«Радио», 1947, №1; «Конденсатор переменной емкости», авт. св. СССР №1199, МПК H01G 5/06, 1924 г.).
Основным недостатком этого 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 и они трудно миниатюризуемы.
Наиболее конструкционно близким к заявляемому изобретению является способ регулирования емкости заряда конденсатора, включающий изменение емкости до заданной величины, для чего в диэлектрике между обкладками конденсатора создают дополнительное непрерывно действующее электрическое поле, а изменение емкости осуществляют уменьшением или увеличением напряженности поля, при этом по достижении заданной величины емкости напряженность поля сохраняют неизменной. Дополнительное электрическое поле создают выполнением части среды между обкладками конденсатора токопроводящей путем введения в пространство между обкладками дополнительного проводящего электрода, который соединяют с источником регулярного электрического поля для повышения или уменьшения потенциала токопроводящей среды, причем дополнительное поле создают в виде электрического поля путем соединения дополнительного проводящего электрода с источником постоянного тока («Способ регулирования емкости заряда конденсатора», патент РФ №2034348, МПК H01G 7/00, 1987 г.).
Суть этого способа, согласно описанию, заключается в уменьшении эффективной площади обкладок за счет индуцирования на их поверхности зарядов, вызываемых электростатическим полем дополнительного электрода. Поскольку указанные заряды связываются зарядом дополнительного электрода, то, по мнению автора изобретения, этим самым сокращается способность конденсатора накапливать основной заряд под действием основного поля, то есть уменьшается его основная емкость.
Недостатком данного, выбранного в качестве прототипа способа является недостаточный диапазон изменения емкости и низкая эффективность управляющего дополнительного поля. Это обусловлено тем, что поскольку дополнительный электрод гальванически не связан с обкладками, то имеет незначительную собственную емкость и для его заряжания потребуется приложить высокое напряжение.
Задачей изобретения является расширение возможностей электрического способа управления емкостью конденсатора в части увеличения диапазона изменения емкости конденсаторов с любым диэлектриком, повышение экономичности управления емкостью и эффективности действия управляющего поля.
Решение поставленной задачи управления емкостью электрического конденсатора, состоит в том, что изменение емкости конденсатора достигают блокированием поля одной из его обкладок, для чего между блокируемой обкладкой и расположенной между обкладками управляющей сеткой создают управляющее электрическое поле, противоположное основному полю конденсатора, а регулирование емкости конденсатора осуществляют увеличением или уменьшением напряженности управляющего электрического поля.
Физическое содержание указанного блокирования обкладки конденсатора заключается в полном или частичном прерывании емкостной связи между обкладками. При этом, в случае полного блокирования одной обкладки, общая емкость конденсатора будет минимальна и равна емкостной связи между управляющей сеткой, площадь которой значительно меньше, чем у обкладки, и другой обкладкой. А при частичном блокировании, когда управляющее поле меньше запирающего значения, общая емкость конденсатора, как функция от величины управляющего поля, будет находиться в пределах от минимальной до полной, равной емкости между блокируемой обкладкой, соединенной с управляющей сеткой, и другой обкладкой.
Покажем это математически. Из курса физики (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1974. с.356-372; Савельев И.В. Курс общей физики. СПб.: Лань, 2008. с.54-57, 84-91; Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. М.: Физматлит, 2008. с.33-41, 71-91; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1967. с.578), известно следующее.
Емкость плоского конденсатора C равна:
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mi>ε</mi><msub><mi>ε</mi><mi>о</mi></msub><mi>S</mi><mo>/</mo><mi>d</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
о
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.
Также известно, что поле внутри заряженного полого проводника отсутствует. Таким образом, если обкладки плоского конденсатора соединить и подать на них один общий потенциал, то поле между обкладками будет равно нулю, заряды расположатся на внешних сторонах пластин, поле будет направлено вовне от обкладок конденсатора. При этом поля обкладок взаимно блокируют друг друга.
Условие такого состояния можно записать как:
<mrow><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
где E и E - напряженность электрического поля у 1-й и 2-й обкладки конденсатора соответственно.
C
Теперь усложним опыт, заменив одну из обкладок, допустим 1-ю, электродом в виде сетки. Пренебрегая неравномерностью распределения зарядов на сетке, при напряженности E, для достаточно редкой сетки, очевидно, получим:
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>С</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
У
Физически это будет означать проникновение части поля 2-й обкладки через сетку. Воспрепятствовать этому можно, если сформировать встречный поток напряженности управляющего поля E, равный или превышающий разность потоков напряженности из неравенства (3):
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>У</mi></msub><mo>≥</mo><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>E</mi><mi>С</mi></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
У
Для этого надо подать на управляющую сетку и 2-ю обкладку соответствующее управляющее напряжение U:
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>У</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>У</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>С</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
C2
C2
У
где d - расстояние между управляющей сеткой и 2-й обкладкой. Понятно, что чем меньше d, тем эффективнее действие управляющего напряжения U.
Распространим вышеизложенное на предлагаемый трехэлектродный плоский конденсатор.
На фиг.1, 2 показан вариант конструкции конденсатора переменной емкости, реализующий предлагаемый способ управления емкостью конденсатора.
Устройство содержит разделенные диэлектриком 4 обкладки 1, 2, предназначенные для создания основного поля конденсатора, и расположенную между ними управляющую сетку 3, служащую для формирования управляющего поля. Управляющая сетка 3 и обкладка 2 подключены к разным полюсам источника регулируемого напряжения 5.
При этом диэлектрик 4 может быть любым, в том числе и разного типа в разных областях межэлектродного пространства.
Работа устройства заключаются в следующем.
У
При U=0 поток напряженности основного поля максимален, а следовательно, максимальна и емкость конденсатора (см. фиг.3). Большая часть потока напряженности приходится на обкладки конденсатора, меньшую его часть перехватывает сетка.
У
Узап
При запирающем значении U=U, определяемом из условий (4, 5), поток напряженности основного поля минимален и сводится к потоку напряженности между обкладкой 1 и сеткой 3 (см. фиг.5). Соответственно, согласно выражению (1), минимальна и емкость конденсатора, поскольку площадь сетки значительно меньше площади обкладок.
У
Узап
1(2+С)
1C
Промежуточным значениям U, от 0 до U, соответствуют промежуточные значения емкости конденсатора C, от емкости между обкладкой 1 и обкладкой 2, соединенной с сеткой 3: C до емкости между обкладкой 1 и сеткой 3: C (см. фиг.4). Причем при увеличении абсолютного значения управляющего напряжения емкость конденсатора уменьшается.
Также заметим, что для увеличения эффективности управляющего напряжения надо максимально приближать сетку к экранируемой обкладке, а для увеличения диапазона регулирования емкости - делать сетку максимально редкой.
Управление емкостью конденсатора осуществляется следующим образом.
p
p
у
у
Прикладывая к обкладкам 1, 2 конденсатора в общем случае изменяющееся рабочее напряжение U(t), получают основное рабочее поле напряженностью, в общем случае, E(t). Управляющее поле напряженностью E между управляющей сеткой 3 и блокируемой обкладкой 2 создают приложением к ним управляющего напряжения U, подводимого от источника 5 регулируемого напряжения.
у
p
Емкость конденсатора регулируют увеличением или уменьшением напряженности управляющего поля, путем изменения значения управляющего напряжения U. По достижении заданной величины рабочей емкости C конденсатора напряженность управляющего поля сохраняют неизменной.
Рассмотрим пример практической реализации устройства.
вх
пр
вых
В частном случае использования вакуума в качестве диэлектрика, как нетрудно заметить, получаем давно и хорошо известный ламповый триод, за исключением уже не нужной цепи подогрева катода. Из литературы известны параметры триодов, сконструированных для разных прикладных задач. В том числе, для повышения крутизны усилительных характеристик, повышают входную емкость C, уменьшая расстояние сетка - катод до десятков микрон. А для уменьшения паразитных связей триода уменьшают проходную емкость C сетка - анод до значений, на порядок меньших выходной емкости C триода катод - анод (см. Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1985, с.224-228).
вых
вх
пр
Например, для триода 6Н2П-ЕВ с номинальным анодным напряжением 250 В запирающее напряжение составляет -4 В, C=2,5 пФ, C=2,35 пФ, C=0,55 пФ (см. Кацнельсон Б.В., Ларионов А.С. Отечественные приемно-усилительные лампы и их зарубежные аналоги (справочник). М.: Энергоиздат, 1981, с.140).
Таким образом, конденсатор переменной емкости, построенный по предложенной методике на базе лампового триода 6Н2П-ЕВ, с номинальным напряжением 250 В, при изменении управляющего напряжения в диапазоне от 0 В до -4 В дает общее уменьшение емкости конденсатора примерно в 5 раз, от порядка 2,7 пФ до 0,55 пФ.
Сопоставительный анализ с близкими аналогами и прототипом показывает, что предлагаемый способ управления емкостью конденсатора и устройство на его основе отличаются иной, более универсальной и более экономичной технологией изменения эффективной площади обкладок конденсатора.
6
В том числе, от способа и устройства с механическим регулирование емкости в заданном диапазоне за счет механического воздействия на подвижную пластину или группу подвижных пластин, путем их перемещения относительно неподвижной или группы неподвижных пластин (см. А.П. Горшков «Переменные конденсаторы» //«Радио», 1947 г., №1; «Конденсатор переменной емкости», авт. св. СССР №1199, МПК H01G 5/06, 1924 г.). Предлагаемое изобретение не требует передачи механических воздействий и, соответственно, лишено присущих механическим устройствам недостатков: низкого быстродействия, сложности конструкции, использования дорогостоящих материалов и драгоценных металлов при изготовлении, высокой металлоемкости, трудностей в миниатюризации.
В отличие от способа, реализованного в изобретении «Способ регулирования емкости заряда конденсатора» (патент РФ №2034348, МПК H01C 7/00, 1987 г.), в котором эффект изменения емкости трехэлектродного конденсатора достигается созданием в диэлектрике между обкладками конденсатора дополнительного непрерывно действующего электрического поля с помощью дополнительного проводящего электрода, который соединяют с источником постоянного тока, в предложенном способе технический эффект получают блокированием поля одной из его обкладок, для чего между блокируемой обкладкой и расположенной между обкладками управляющей сеткой создают управляющее электрическое поле, противоположное основному полю конденсатора, а регулирование емкости конденсатора осуществляют увеличением или уменьшением напряженности управляющего электрического поля, что устраняет недостатки прототипа, расширяет диапазон изменения емкости, повышает экономичность устройства и эффективность применения управляющего поля конденсатора.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна" и "изобретательский уровень".
Использование предлагаемого способа управления емкостью конденсатора и устройства на его основе дает, по сравнению с существующими способами электрического управления, следующий технический результат:
расширяет диапазон изменения емкости конденсатора;
позволяет управлять емкостью конденсатора с любым 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.
Например, для создания переменных конденсаторов большой емкости может быть применена технология пленочной намотки, широко используемая в производстве конденсаторов с органическими диэлектриками (см. Меркулов В.И. Основы конденсаторостроения. Томск: Томский ПУ, 2001, с.98-99, 108-110).