Московский Ордена Ленина,Ордена Октябрьской Революции и Ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.БАУМАНА
Реферат
Тема: «Основныетипы диэлектриков, применяемых в производстве конденсаторов»
Выполнил: СпиринА.П.
Группа РЛ1-31
Проверил: Гаврилов В.С.
Москва2006 г.
Содержание
TOC o «1-3» h z u Содержание. PAGEREF _Toc150869409 h 2
Общие сведения оконденсаторах. PAGEREF _Toc150869410 h 3
Ёмкость. PAGEREF _Toc150869411 h 3
Характеристикидиэлектриков. PAGEREF _Toc150869412 h 5
Диэлектрическаяпроницаемость. PAGEREF _Toc150869413 h 6
Потери вдиэлектриках. PAGEREF _Toc150869414 h 8
Ток утечки ипостоянная времени конденсаторов. PAGEREF _Toc150869415 h 10
Сопротивлениедиэлектриков по постоянному току. PAGEREF _Toc150869416 h 11
Электрическаяпрочность. PAGEREF _Toc150869417 h 12
Влияние частоты на диэлектрики и готовые конденсаторы… PAGEREF _Toc150869418 h 13
Типы конденсаторовпостоянной емкости. PAGEREF _Toc150869419 h 13
Бумажные пропитанные конденсаторы… PAGEREF _Toc150869420 h 13
Металлобумажныеконденсаторы… PAGEREF _Toc150869421 h 16
Слюдяныеконденсаторы… PAGEREF _Toc150869422 h 17
«Пуговичные» слюдяные конденсаторы… PAGEREF _Toc150869423 h 20
Керамическиеконденсаторы… PAGEREF _Toc150869424 h 20
Стеклянныеконденсаторы… PAGEREF _Toc150869425 h 22
Стеклоэмалевые конденсаторы… PAGEREF _Toc150869426 h 23
Пленочные конденсаторы… PAGEREF _Toc150869427 h 24
Электролитическиеконденсаторы… PAGEREF _Toc150869428 h 26
Список использованной литературы… PAGEREF _Toc150869429 h 29
Общие сведения о конденсаторах
Ёмкость
Емкость создается междулюбыми двумя соседними проводниками. Конденсатор состоит из двух металлическихпластин, разделенных диэлектриком, таким, как воздух, газ, бумага, керамика илиоксидный слой. Когда между двумя металлическими пластинами прикладывается напряжение, конденсаторзаряжается. Величина заряда будет зависеть от напряжения. Емкость конденсатораравна отношению приобретенного заряда к приложенному напряжению:
где С — емкость, Ф;
Q — заряд, Кл (или А*сек);
U — напряжение, В.
Единица емкости — фарада (Ф).Конденсатор имеет емкость, равную 1 Ф, если при напряжении 1 В он приобретаетзаряд, равный 1 Кл. Эта единица слишком велика для практического применения,поэтому обычно используют микрофараду (1 мкФ = 10-6 Ф) и пикофараду (1 пФ = 10-12Ф).
Энергия заряда запасаетсяв виде электростатической
энергии в диэлектрике и равна τ, то требуемая мощность
где Ρ — средняя мощность, Вт; τ — время, сек.
При переменном напряжении выражениедля реактивной мощности приобретаетвид:
где f —частота, Гц; U — напряжение, эффективное значение, В.
В случае, когда к конденсатору приложенопостоянное напряжение, в диэлектрике связанные электрические зарядыполяризуются или смещаются из своего нормального положения равновесия. Поэтомуна зарядку конденсатора затрачивается определенная работа; Эта работавыражается в джоулях (или Вт ·сек). Она равна запасенной потенциальнойэнергии:
или или
где I –энергия, Дж или Вт*сек;
Q –заряд, Кл или А*сек;
U –напряжение, В;
С-ёмкость, Ф.
Основнаяформула емкости двух плоских пластин, разделенных диэлектриком,
где С-емкость, пФ;
ε-диэлектрическая проницаемость;
A – площадьодной пластины, см2
d– расстояние между пластинами, см.
Если число, пластинбольше одной, то числители первой и второй формул умножаются на (N— 1), где N — число пластин.
Вследствие краевого эффектаточность этой формулы не вполне удовлетворительна. Фактическая емкость нескольковыше расчетной, поэтому размеры пластин необходимо скорректировать: в случаепрямых краев к сторонам пластины добавляется по 0,44 d, а в случаезакругленных краев — по 0,11 d.
Конденсатор может бытьпредставлен в виде эквивалентной схемы (рис. 1), где С — емкостьконденсатора; Rs—сопротивление выводов,пластин и контактов; Rp— сопротивление, обусловленноедиэлектриком и материалом корпуса; L— индуктивность выводов ипластин конденсатора.
Рис. SEQ Рис._ * ARABIC 1
Необходимо заметить, чтоемкость никогда не остается неизменной, за исключением некоторых определенныхусловий. Она изменяется в зависимости от температуры, частоты, срока службы и т. д. Номинальноезначение емкости, указанное в маркировке конденсатора, строго говоря,соответствует только комнатной температуре и низкой частоте.
Характеристикидиэлектриков
Диэлектрики, используемые в конденсаторостроении, могут бытьразделены на следующие пять основных классов:
1)слюда, стекло, керамика с низкими потерями ит.п.; используются в конденсаторах с емкостью от нескольких единиц донескольких сотен пикофарад;
2) керамика с высокойдиэлектрической проницаемостью; используется при емкостях от нескольких сотендо нескольких десятков тысяч пикофарад;
3) бумага иметаллизированная бумага; используются в конденсаторах с емкостью от несколькихтысяч пикофарад до нескольких микрофарад;
4) оксидные пленки (вэлектролитах); используются при емкостях от единиц до многих микрофарад;
5) пленочные диэлектрики,такие, как полистирол, полиэтилентерефталат (майлар), политетрафторэтилен (тефлон);предел использования — от сотен пикофарад до нескольких микрофарад.
Многие факторы влияют на такие свойства конденсаторныхдиэлектриков, как диэлектрическая проницаемость, угол потерь, ток утечки,диэлектрическая абсорбция, электрическая прочность, допускаемая температура;этот вопрос кратко рассматривается ниже.
Диэлектрическаяпроницаемость
Диэлектрическая проницаемость материала,используемого в качестве диэлектрика, равна отношению емкости конденсатора, вкотором диэлектриком служит данный материал, к емкости того же конденсатора свакуумом в качестве диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость сухого воздухаприблизительно равна единице. Конденсатор с твердым или жидким диэлектриком,диэлектрическая проницаемость которого выше диэлектрической проницаемости воздуха или вакуума, может запасать в εраз большеэнергии при равном напряжении, поданном на пластины. Следующие величиныдиэлектрической проницаемости ε некоторых типичных конденсаторныхдиэлектриков при температуре 25° С:
Таблица SEQ Таблица * ARABIC 1
Материал
ε
Вакуум
1
Сухой воздух
1,00059
Полистирол
2,5
Политетрафторэтилен (тефлон)
2
Полиэтилентерефталат (майлар)
3
Пропитанная бумага
4-6
Слюда
6,8
Окись алюминия
7
Окись тантала
25
Керамика (титанат магния и пр.)
До 20
Керамика (титанатная)
80-100
Керамика (с высокой ε)
1000 и выше
Диэлектрики могут быть разбиты на две основные группы: полярные инеполярные материалы. В полярных материалах внутри молекулярной структурысуществует постоянное неравновесие электрических зарядов. Диполи представляютсобой молекулы, в которых центры действия положительных и отрицательных зарядовнаходятся на некоторых расстояниях друг от друга. В условиях переменногоэлектрического поля, если частота не слишком высока, диполи самоориентируются.Переориентация диполей вызывает при некоторых значениях частоты и температурыбольшие потери.
В неполярных материалах электрические заряды внутри молекулярнойструктуры уравновешены. По этой причине неполярные материалы не имеют острогомаксимума потерь при изменении частоты и температуры. Поливинилхлорид можетслужить характерным представителем полярныхматериалов. Диэлектрическая проницаемость поливинилхлорида, равная 10при низких частотах, снижается до 3—4 при частоте в несколько мегагерц.Полистирол — типичный неполярный материал с диэлектрической проницаемостью,приблизительно равной 2,5 как при постоянном, так и при переменном напряжениипри частоте до многих тысяч мегагерц.
Исключительным материалом, имеющим специальные свойства, являетсякерамика с высокой диэлектрической проницаемостью. Высокое значение ε уэтого материала сохраняется при частотах до многих тысяч мегагерц, но вто же время он обладает очень высокой индуктированной поляризацией. Принекотором напряжении молекулярная структура искажается настолько, чтостановится чрезвычайно чувствительной к температуре, механическому давлению иприложенному напряжению. В этих условиях диэлектрическая проницаемостьвозрастает до очень высоких значений.
Потери в диэлектриках
Потери возникают за счет тока утечки,диэлектрической абсорбции и тому подобных явлений в зависимости от частотырабочего напряжения.
Изменение εс частотой незначительнодо тех пор, пока потери малы. Потери увеличиваются, когда столкновения молекул затрудняют их ориентацию в электрическомполе; при этом диэлектрическаяпроницаемость падает,
Вязкость молекулярной структуры ограничиваетчастоту, при которой может происходитьполная ориентация диполей. Еслиприложенное напряжение имеет частоту, сравнимую с этим граничным значением,то потери резко возрастают. Сопротивление, эквивалентное потерям, может бытьвведено как в последовательную, так и в параллельнуюэквивалентную схему. Это зависит от способа измерения при заданном частном значении частоты.Важным критерием является отношение:
Мощность, затраченная за один период
Мощность, запасённая за один период
Эта величина называется коэффициентом мощности материала и дляхороших диэлектриков не зависит от частоты. Когда через конденсатор протекаетпеременный ток, векторы тока и напряжения сдвинуты один по отношению к другомуменьше чем на 90°. Это фазовый угол φ. Угол δ,дополняющийфазовый угол φ до 90°, называетсяуглом потерь. Косинус фазового угла или синус угла потерь равен коэффициентумощности. Поэтому диэлектрические потери могут быть представлены в виде произведения: UIcosφилиUIsinδ.Обычно угол потерь так мал (при значении коэффициента мощности менее 10%), что можно принять tgδ равнымsinδ. Хотя более удобновыражать потери через tgδ,чем через cosφ, так как первый легче измерить, однако дляхарактеристики диэлектрических потерь в конденсаторах используются оба обозначения. В идеальномконденсаторе, не имеющем диэлектрических потерь, δ= 0.
Коэффициент рассеивания (тангенс угла потерь)
где f– частота, Гц;
R– эквивалентноепоследовательное сопротивление, Ом;
С– емкость, мкФ.
Коэффициент мощности может быть представлен ввиде отношения потерь в диэлектрике к произведению из приложенного напряженияна ток:
Общая потерянная(активная) мощность, Вт
Напряжение (действующеезначение) * ток действующее значение
Поэтому коэффициент мощности рассчитывают поформуле:
где Pa– активная мощность, Вт;
f–частота, Гц;
C–емкость, мкФ;
U–напряжение, В.
Добротность конденсатора Q— величина, обратная значениюtgδ. Онаможет быть представлена как отношение чисто реактивного сопротивления кэффективному сопротивлению, эквивалентному потерям.
Диэлектрическая абсорбция
Если конденсатор не обладает диэлектрическойабсорбцией, то начальный заряжающий или поляризационный ток при постоянномнапряжении
где i– ток, А, через время, τ;
U – приложенноенапряжение, В;
R – сопротивление,эквивалентное потерям в конденсаторе при последовательной схеме замещения, Ом.
Поляризационный ток асимптотически снижается до нуля. Когда Rмало, это происходит за малый промежуток времени, и конденсаторзарядится полностью.
Если полностью заряженный конденсатор мгновенно разрядить иоставить его выводы на некоторое время разомкнутыми, то во всех конденсаторахс твердым диэлектриком наблюдается накопление нового заряда, так как некотораячасть первоначального заряда была «поглощена» (абсорбирована) диэлектриком.Это явление называют диэлектрической абсорбцией. Оно приводит к определенномузапаздыванию во времени в процессе зарядки и разряда.
Диэлектрическая абсорбция происходит вследствие того, что насмещение связанных зарядов в диэлектрике из их нормального положения требуетсянекоторое конечное время, так как вязкость вещества (внутреннее трение) препятствуетих движению. Время установления поляризации различно для разных диэлектриков —поляризация может установиться или почти мгновенно или в течение многих часов.В одном и том же диэлектрике несколько электронов или ионов может приобрестиспособность к свободному перемещению после промежутка времени, исчисляемогосекундами или даже сутками. Явление усложняется еще и тем, что, например, вслучае бумажных пропитанных конденсаторов время установления поляризациибумаги и пропиточной массы оказывается различным.
Диэлектрическая абсорбция вызывает уменьшение емкости приповышении рабочей частоты и появление нежелательной задержки во времени внекоторых импульсных схемах или цепях, требующих быстрой смены зарядки иразряда.
Ток утечки и постояннаявремени конденсаторов
При использовании конденсатора в цепи постоянного напряженияпотери, обусловленные током утечки, приводят к тому, что при отключенияисточника энергии заряд стекает с обкладок. Время, в течение которого зарядуменьшается до e(или 36,8% его начальногозначения), определяется произведением RisC, где Ris— сопротивление изоляции конденсатора и С — егоемкость. Если Risвыражено в мегомах, а С — в микрофарадах, то величина RiSC— постоянная времени — будет выражена в секундах.Она может быть также выражена в МОм*мкфили Ом*ф. Конденсаторыразных типов имеют следующие характерные значения постоянной времени RisC:
Полистирольные конденсаторы ............................................... Несколько дней
Бумажные конденсаторы.......................................................... Несколько часов
Тацталовые объемно-пористые электролитические конденсаторы ….1или 2 ч
Конденсаторы из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью…………………………………………………………… Несколькоминут
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетравлеными анодами………………………………………………………… Несколькосекунд
Необходимо иметь в виду, что при емкостях меньше 0,1 мкф постоянная времени определяется вбольшей степени особенностями конструкции и внешнего оформления самогоконденсатора, чем качеством диэлектрика. Ток утечки увеличивается с повышениемтемпературы (примерно экспоненциально). Для хороших диэлектриков при комнатнойтемпературе он весьма мал, и практически его трудно измерить, но при болеевысоких температурах ток утечки может стать заметным даже в конденсаторах схорошим диэлектриком.
Сопротивлениедиэлектриков по постоянному току
Сопротивление диэлектрика постоянному току может бытьохарактеризовано поверхностным удельным сопротивлением в омах или мегомах илиудельным объемным сопротивлением в ом · см. Следует отметить, чтосопротивление изоляции конденсаторов с хорошими диэлектриками (стекло, слюда ит. п.) может заметно уменьшиться при использовании для их конструктивногооформления материалов с пониженным удельным сопротивлением, таких, какфенольные смолы, особенно в условиях воздействия высокой влажности илитемпературы.
Электрическая прочность
Электрическая прочность материала определяется величинойнапряженности поля, при которой происходит пробой. Напряженность поля вкиловольтах на 1 мм(или вольтах на 1 мк), при которойпробивается диэлектрик, зависит оттолщины материала, температуры,частоты и формы волны испытательного напряжения, метода проведения испытания ипр. Поэтому сравнивать различные материалы в идеале следует на образцах равнойтолщины и в идентичных условиях измерения.
Для определения электрической прочности к образцу, в которомсделаны углубления для того, чтобы получить возможно более однородноераспределение поля, через электроды, армированные охранными кольцами, подводитсяпостепенно повышающееся напряжение. Подготовка образцов играет весьма важнуюроль.
В качестве практического предела электрической прочностиматериала удобно принять напряжение начала разрядов, выше которого с течениемвремени начинает развиваться пробой. Это напряжение обычно много нижепредельной электрической прочности при кратковременном приложении напряжения.При напряжении выше начального разрядного возникаеткорона и начинается прогрессирующее разрушение материала. Испытание методомопределения начального напряжения разрядов имеет то преимущество, что является«неразрушающим» испытанием, посколькукорона вызывает высокочастотные колебания,которые можно наблюдать и измерять, не доводя образец до пробоя. Электрическая прочность материала всегда уменьшается, если он работает в условиях высокой температуры или повышеннойвлажности. Немногие материалы полностью однородны, и обычно пробой связан спрохождением тока утечки вдоль определенного малого участка материала; этотучасток нагревается, что приводит к быстрому разрушению или к искрению вдоль поверхности и, следовательно, к обугливаниюорганического материала. Неорганические материалы, такие, как стекло, керамикаи слюда, обычно устойчивы против этой формы пробоя. Очень важно времяприложения напряжения. Большинство диэлектриков при кратковременныхвоздействиях выдерживает значительно более высокие напряжения, чем придлительной работе. С увеличением частоты электрическая прочность падает,особенно при радиочастотах, взависимости от коэффициента мощности материала и т. п.
Влияние частоты на диэлектрики и готовые конденсаторы
В области очень низких и очень высокихчастот наблюдается увеличение потерь, которое практически ограничиваетиспользование конденсатора с любым диэлектриком. При очень низких частотах вдиэлектрике становятся заметными различные формы утечки, такие, как ток утечкина постоянном токе и долговременные поляризационные явления, которых не бываетна высоких частотах. При очень высоких частотах некоторые процессы, связанные с поляризацией диэлектрика, не успевают полностью проявиться и поэтомувызывают потери.
Типы конденсаторовпостоянной емкости
Важнейшие характеристики конденсатора определяются егодиэлектриком. Поэтому обычно конденсаторы классифицируются по виду диэлектрика:бумага, слюда, керамика и т. д.
Бумажные пропитанные конденсаторы
Бумажные пропитанные конденсаторы являются изделиями широкогообщего применения. Они изготовляются намоткой из двух или более слоев бумаги(диэлектрика), расположенных между двумя лентами металлической фольги, и затемпропитываются. Эти конденсаторы имеют следующие характеристики (при сравнениисо слюдяными конденсаторами):
1) цена относительноневелика;
2) коэффициент мощностиотносительно высок (до 0,01 при 25° С и 1КГц, от 0,005 до 0,04при —55° С, в зависимости от пропитки);
3) удельная емкость высока;
4) рабочее напряжение постоянного тока среднее;
5) отклонение емкости от номинала (начальное) большое: возможно±5%, обычно ±10% или больше.
Максимальное допускаемое рабочее напряжение бумажного пропитанного конденсатора зависитот температуры окружающей среды. Срок жизни конденсатораприблизительно обратно пропорционален пятой степени рабочего напряжения при температурах до 85° С. Вспецификации приведены кривые снижения рабочего напряжения при повышениитемпературы для каждого варианта конструкции конденсаторов. Величина требуемогоснижения напряжения изменяется в зависимости от буквенного обозначенияконденсатора, которое указывает на тип пропитки, и от энергии, запасаемойконденсатором при полной зарядке. Для конденсаторов с большим запасом энергииоговариваются другие кривые снижения напряжения в зависимости от температуры.
Изучение надежности работы показало, что для конденсаторов втипичных условиях применения наблюдается пропорциональность между количествомвыходов из строя и отношением приложенного напряжения к номинальному. Например,в одном из таких опытов за 5000 ч работывыход конденсаторов из строя составил 0,26% для рабочего напряжения, равного25% Uном и 1,6% для 100% номинального напряжения.
Для работы при переменном напряжении бумажные пропитанные конденсаторы должны бытьспециально отобраны или разработаны, так как размеры корпуса (площадь егоповерхности), пропитка и другие конструктивные данные влияют на выборноминального напряжения. Допускаемая переменная составляющая для бумажногоконденсатора постоянного напряжения зависит от типа пропиточной массы и отконструкции. Поэтому конденсаторы, поставляемые разными поставщиками, чрезвычайно разнообразны. Постоянная времени бумажныхпропитанных конденсаторов комнатной температуре (25° С) составляет от 1500 до20 000 Мом *мкФ (в зависимости от сорта бумаги ипропиточной массы), но быстропадает при повышении температуры окружающей среды. Для маленьких цилиндрическихгерметизированных конденсаторов постоянная времени может уменьшиться от 20 000 Мом * мкФ при25° С до 20 Мом *мкФ при 125° С. Это снижениеобратно пропорционально величине емкости при ее значениях выше 1 мкФ. Изменение емкости с температуройв основном связано с типом пропиточной массы, причем наибольших изменений можноожидать при низких температурах.Коэффициент мощности при 25° С и 1 КГцизменяется от 0,003 до0,01, увеличиваясь с частотой. При напряжении 5 В и меньше или в условияхвысокочастотной вибрации ударовприменяется конструкция конденсаторов с выступающей фольгой, так какконструкция с вкладными контактамитребует приложения достаточнокого напряжения, чтобы переходноесопротивление тактах было малым. Бумажные опрессованные пластмассой конденсаторы хуже герметизированных типовв металлических корпусах. В условияхповышенной влажности сопротивление изоляции опрессованных конденсаторов много ниже и в процессе старения заметно ухудшается. В тех случаях, когда требуется малая емкость на землюудобно применять конденсаторы вгерметизированных керамическихкорпусах. Хотя конденсаторы этой конструкции после 1000 ч испытаний на срок службы имеютлучшую стабильность емкости, повышенноесопротивление изоляции и меньшееизменение угла потерь, чеманалогичные конденсаторы в металлических корпусах, применять их следует с осторожностью, так как у этой конструкции притермических ударах иногда нарушаетсягерметичность. Испытание образцов бумажныхконденсаторов на хранение в течение 2 лет показало, что притемпературе 50 ± 2° С и относительной влажности 90—95% происходит прогрессирующее снижение сопротивления изоляции, ухудшается угол потерь и электрическаяпрочность конденсаторов и снижается ихнапряжение перекрытия. При такой же или более низкой температуре в сочетании с пониженной относительной влажностью характеристики также ухудшаются, но медленнее. Во всех вариантах климатических условий испытанныеконденсаторы с аксиальными выводами показали наименьшее изменениехарактеристик.
По своему применению бумажные пропитанные конденсаторы подразделяются на следующие группы: блокировочные,буферные, шунтирующие, конденсаторы связи и фильтровые.
Металлобумажныеконденсаторы
Конструкция металлобумажных конденсаторов такова, что воздушные зазоры между бумагой и обкладками,существующие в обычных бумажных фольговых конденсаторах, полностью исключаются. Эти конденсаторы были разработаны и освоены производстве в конце 40-х годов. Вметаллобумажном конденсатореодна сторона бумаги металлизируетсяперед намоткой. При номинальном напряжении до 600 В такие конденсаторы имеют меньший размер, чем бумажныепропитанные конденсаторы того же номинала. Это преимущество особенно заметнопри номинальных напряжениях до 100 В постоянноготока и емкостях выше 0,01 мкФ, когдауменьшение объема может достигать 75%. |
Кроме того, если при воздействии напряжения происходят пробой икороткое замыкание обкладок, то в металлобумажных конденсаторах происходитпроцесс самовосстановления электрической прочности. При пробое бумаги оченьтонкий слой металла быстро испаряется вокруг места пробоя, предотвращаяобразование постоянного короткого замыкания. Максимальное напряжение, прикотором еще сохраняется самовосстановление, определяет величину испытательногонапряжения. Максимальное напряжение, которое может быть кратковременно приложенок выводам конденсатора без его разрушения, называется напряжением искрения. Этомаксимальное напряжение следует прикладывать не более чем на несколько секунд,в противном случае непрерывное искрение быстро разрушит конденсатор.
Постоянная времени металлобумажных конденсаторов при 25° Ссоставляет от 250 до 2000 Мом *мкФ, т.е. обычно в 6—10 раз меньше, чем у бумажных фольговых конденсаторов, хотянекоторые вновь разработанные типы и сравнимы с фольговыми.Металлобумажные конденсаторы нельзя применять для емкостной связиконтуров, но можно использовать в цепях развязки или сглаживания, когдаосновным требованием является малая величина полного сопротивления.
На переменном токеметаллобумажные конденсаторы следует использовать с осторожностью. Номинальноенапряжение постоянного тока не может быть просто пересчитано на величинунапряжения переменного тока. Коэффициент пе