Курсовая работа: Вариконды и их применение

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 εнач., 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 ε 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 ε 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 εнач 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 ε в области отрицательных температур больше, чем в области положительных температур. При снижении температуры напряженность поля, при которой значение ε 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 εмакс = 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 ε 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 εнач напряженность постоянного электрического поля равна нулю, а для εпред 500 в/мм. Такая напряженность .постоянного поля является рабочей. Крутизна реверсивной характеристики ε(Е‗) керамики ВК-3 возрастает при увеличении напря женности электрического поля и снижается при увеличении частоты.

При комнатной температуре и слабых полях коэффициент управления ε 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 εнач, εмакс 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 εнач и εмакс у этого материала меньше, чем у ВК-2. Как видно из рис.1.8, крутизна возрастающего участка кривой ε(Е~)для ВК-4 несколько меньше, чем для ВК-2; в соответствии с этим и напряженность поля εмакс 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 εмакс 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, εмакс =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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6