Ток утечки и постоянная времени конденсаторов

При использовании конденсатора в цепи постоянного напряжения потери, обусловленные током утечки, приво­дят к тому, что при отключения источника энергии заряд стекает с обкладок. Время, в течение которого заряд умень­шается до e (или 36,8% его начального значения), определяется произведением RisC, где Ris — сопротивление изо­ляции конденсатора и С — его емкость. Если Ris выра­жено в мегомах, а С — в микрофарадах, то величина RiSC — постоянная времени — будет выражена в секун­дах. Она может быть также выражена в МОм*мкф или Ом*ф. Конденсаторы разных типов имеют следующие характерные значения постоянной времени RisC:

Полистирольные конденсаторы ...............................................    Несколько дней

Бумажные конденсаторы..........................................................    Несколько часов

Тацталовые объемно-пористые элек­тролитические конденсаторы ….1 или 2 ч

Конденсаторы из керамики с высо­кой диэлектрической проницае­мостью…………………………………………………………...Несколько минут

Алюминиевые электролитические кон­денсаторы с нетравлеными анодами………………………………………………………...Несколько секунд

Необходимо иметь в виду, что при емкостях меньше 0,1 мкф постоянная времени определяется в большей сте­пени особенностями конструкции и внешнего оформления самого конденсатора, чем качеством диэлектрика. Ток утечки увеличивается с повышением температуры (при­мерно экспоненциально). Для хороших диэлектриков при комнатной температуре он весьма мал, и практически его трудно измерить, но при более высоких температурах ток утечки может стать заметным даже в конденсаторах с хоро­шим диэлектриком.

Сопротивление диэлектриков по постоянному току

Сопротивление диэлектрика постоянному току может быть охарактеризовано поверхностным удельным сопро­тивлением в омах или мегомах или удельным объемным сопротивлением в ом · см. Следует отметить, что сопротивление изоляции конденсаторов с хорошими диэлектриками (стекло, слюда и т. п.) может заметно уменьшиться при использовании для их конструктивного оформления материалов с пониженным удельным сопротивлением, таких, как фенольные смолы, особенно в условиях воздействия высокой влажности или температуры.

Электрическая прочность

Электрическая прочность материала определяется вели­чиной напряженности поля, при которой происходит про­бой. Напряженность поля в киловольтах на 1 мм (или воль­тах на 1 мк), при которой пробивается диэлектрик, зависит от толщины материала, температуры, частоты и формы волны испытательного напряжения, метода проведения испытания и пр. Поэтому сравнивать различные материалы в идеале следует на образцах равной толщины и в идентич­ных условиях измерения.

Для определения электрической прочности к образцу, в котором сделаны углубления для того, чтобы получить возможно более однородное распределение поля, через электроды, армированные охранными кольцами, подво­дится постепенно повышающееся напряжение. Подготовка образцов играет весьма важную роль.

В качестве практического предела электрической проч­ности материала удобно принять напряжение начала раз­рядов, выше которого с течением времени начинает разви­ваться пробой. Это напряжение обычно много ниже предельной электрической прочности при кратковременном прило­жении напряжения. При напряжении выше начального разрядного возникает корона и начинается прогрессирующее разрушение материала. Испытание методом определения начального напряжения разрядов имеет то преимущество, что является «неразрушающим» испытанием, поскольку корона 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 повышенной влажности. Немногие материалы полностью однородны, и обычно пробой связан с прохождением тока утечки вдоль определенного малого участка материала; этот участок нагревается, что приводит к быстрому разрушению или   к  искрению  вдоль   поверхности  и,    следовательно, к обугливанию органического материала. Неорганические материалы, такие, как стекло, керамика и слюда, обычно устойчивы против этой формы пробоя. Очень важно время приложения напряжения. Большинство диэлектриков при кратковременных воздействиях выдерживает значительно более высокие напряжения, чем при длительной работе. С увеличением частоты электрическая прочность падает, особенно при радиочастотах,  в зависимости от коэффициента мощности материала и т. п.

Влияние частоты на диэлектрики и готовые конденсаторы

В области очень низких и очень высоких частот наблюдается увеличение потерь, которое практически ограничивает использование конденсатора с любым диэлектриком. При очень низких частотах в диэлектрике становятся заметными различные формы утечки, такие, как ток утечки на постоянном токе и долговременные поляризационные явления, которых не бывает на высоких частотах. При очень высоких частотах некоторые процессы,  связанные с поляризацией   диэлектрика,   не   успевают полностью проявиться и  поэтому вызывают потери.

Типы конденсаторов постоянной емкости

Важнейшие характеристики конденсатора определяются его диэлектриком. Поэтому обычно конденсаторы классифицируются по виду диэлектрика: бумага, слюда, керамика и т. д.

Бумажные пропитанные конденсаторы

Бумажные пропитанные конденсаторы являются изделиями широкого общего применения. Они изготовляются намоткой из двух или более слоев бумаги (диэлектрика), расположенных между двумя лентами металлической фольги, и затем пропитываются. Эти конденсаторы имеют следующие характеристики (при сравнении со слюдяными конденсаторами):

1)  цена относительно невелика;

2)  коэффициент мощности относительно высок (до 0,01 при 25° С и  1КГц, от 0,005 до 0,04 при —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 зависит от температуры окружающей среды. Срок жизни конденсатора приблизительно обратно пропорционален  пятой степени рабочего напряжения при температурах до 85° С. В спецификации приведены кривые снижения рабочего напряжения при повышении температуры для каждого варианта конструкции конденсаторов. Величина требуемого снижения напряжения изменяется в зависимости от буквенного обозначения конденсатора, которое указывает на тип про­питки, и от энергии, запасаемой конденсатором при полной зарядке. Для конденсаторов с боль­шим запасом энергии оговариваются другие кривые сниже­ния напряжения в зависимости от температуры.

Изучение надежности работы показало, что для кон­денсаторов в типичных условиях применения наблюдается пропорциональность между количеством выходов из строя и отношением приложенного напряжения к номинальному. Например, в одном из таких опытов за 5000 ч работы выход конденсаторов из строя составил 0,26% для рабочего напряжения, равного 25% Uном и 1,6% для 100% номиналь­ного напряжения.

Для  работы  при  переменном  напряжении  бумажные пропитанные конденсаторы должны быть специально отоб­раны или разработаны, так как размеры корпуса (площадь его поверхности), пропитка и другие конструктивные дан­ные влияют на выбор номинального напряжения. Допускае­мая переменная составляющая для бумажного конденса­тора постоянного напряжения зависит от типа пропиточ­ной массы и от конструкции. Поэтому конденсаторы, по­ставляемые  разными  поставщиками,   чрезвычайно  разно­образны. Постоянная времени бумажных пропитанных конденсаторов комнатной температуре (25° С) составляет от 1500 до 20 000 Мом *мкФ (в зависимости от сорта бумаги и пропиточной массы), но быстро падает при повышении температуры окружающей среды. Для маленьких цилинд­рических герметизированных конденсаторов постоянная   времени   может   уменьшиться   от 20 000 Мом * мкФ при 25° С до 20 Мом *мкФ при 125° С. Это снижение обратно пропорционально величине емкости при ее значениях выше 1 мкФ. Изменение емкости с темпе­ратурой в основном связано с типом пропиточной массы, причем наибольших изменений можно ожидать при низких температурах. Коэффициент мощности при 25° С и 1 КГц изменяется от 0,003 до 0,01, увеличиваясь с частотой. При напряжении 5 В и меньше или в условиях высокочастотной вибрации ударов применяется конструкция конденсаторов с выступающей фольгой, так как конструкция с вкладными  контактами требует приложения достаточно кого напряжения, чтобы переходное сопротивление тактах было малым. Бумажные опрессованные пластмассой конденсаторы хуже герметизированных типов в металлических корпусах. В условиях повышенной  влажности  сопротивление  изоляции  опрессованных конденсаторов много ниже и в процессе старения заметно ухудшается. В тех случаях, когда требуется малая емкость на землю удобно применять конденсаторы в герметизированных керамических корпусах. Хотя конденсаторы этой конструкции после 1000 ч испытаний на срок службы имеют лучшую стабильность емкости, повышенное сопротивление изоляции и меньшее изменение угла потерь, чем аналогич­ные конденсаторы в металлических корпусах,  применять их следует с осторожностью, так как у этой конструкции при термических ударах иногда нарушается герметичность. Испытание образцов бумажных конденсаторов на хранение в течение 2 лет показало, что при температуре 50 ± 2° С и  относительной  влажности 90—95% происходит  прогрессирующее снижение сопро­тивления изоляции, ухудшается угол потерь и электриче­ская прочность конденсаторов и снижается их напряжение перекрытия. При такой же или более низкой температуре в  сочетании   с   пониженной   относительной   влажностью характеристики также ухудшаются, но медленнее. Во всех вариантах климатических условий испытанные конденса­торы с аксиальными выводами показали наименьшее изменение характеристик.

По своему применению бумажные пропитанные конден­саторы подразделяются на следующие группы: блокиро­вочные, буферные, шунтирующие, конденсаторы связи и фильтровые.

Металлобумажные конденсаторы

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. В металлобумажном конденсаторе одна сторона бумаги металлизируется перед намоткой. При номинальном напряжении до 600 В такие конденсаторы имеют меньший размер, чем бумажные пропитанные конденсаторы того же номинала. Это преимущество особенно заметно при номинальных напряжениях до 100 В постоянного тока и емкостях выше 0,01 мкФ, когда уменьшение объема может достигать 75%. |

Кроме того, если при воздействии напряжения происходят пробой и короткое замыкание обкладок, то в металлобумажных конденсаторах происходит процесс самовосстановления электрической прочности. При пробое бумаги очень тонкий слой металла быстро испаряется вокруг места пробоя, предотвращая образование постоянного короткого замыкания. Максимальное напряжение, при котором еще сохраняется самовосстановление, определяет величину испытательного напряжения. Максимальное напряжение, которое может быть кратковременно приложено к выводам конденсатора без его разрушения, называется напряжением искрения. Это максимальное напряжение следует прикладывать не более чем на несколько секунд, в противном случае непрерывное искрение быстро разрушит конденсатор.

Постоянная времени металлобумажных конденсаторов при 25° С составляет от 250 до 2000 Мом *мкФ, т. е. обычно в 6—10 раз меньше, чем у бумажных фольговых конденсаторов, хотя некоторые вновь разработанные типы и срав­нимы с фольговыми. Металлобумажные   конденсаторы   нельзя применять для емкостной связи контуров, но можно использовать в цепях развязки или сглаживания, когда основным требованием является малая величина полного сопротивле­ния.

На  переменном токе металлобумажные конденсаторы следует использовать с осторожностью. Номинальное напряжение постоянного тока не может быть просто пересчи­тано на величину напряжения переменного тока. Коэффициент пересчета, принятый для конденсатора какого-либо определенного номинала, может не подойти для конденсаторов с другими размерами, другим номинальным напряжением или иным типом конструкции. Допускаемые величины напряжения переменного тока для металлобумажных и бумажных фольговых конденсаторов различны в связи с плохой теплопроводностью металлизированных секций. Амплитудное напряжение при частоте 60 или 400 Гц никогда не должно превышать величину номинального напряжения постоянного тока. Это ограничивает величину переменного напряжения при малых емкостях, но при емкости выше 10 мкФ надо уже учитывать опасность разогрева конденсатора. В этом случае предельное номинальное напряжение можно повысить, улучшив отвод тепла от пакета секций к корпусу конденсатора.

Металлобумажные конденсаторы нельзя использовать в тех случаях, когда происходят частые перенапряжения, так как при этом могут снизиться емкость и сопротивление изоляции и возрасти тангенс угла потерь. Если два конден­сатора соединены параллельно, то обычно к каждому из них последовательно подключается сопротивление 1 КОм для подавления перенапряжения, которое могло бы возник­нуть при пробое одного из конденсаторов и повредить второй.

Коэффициент мощности металлобумажных конденсато­ров при 25° С и частоте 1 КГц находится в пределах от 0,005 до 0,015.

Слюдяные конденсаторы

Слюдяные конденсаторы изготовляют, набирая их в виде стопки из очень тонких пластинок слюды, переложенных слоями фольги, или нанося слой серебра непосредственно на поверхность слюдяных пластинок для уменьшения колебания емкости от термического расширения за счет удаления воздуха из зазоров между диэлектриком и обкладками. Стопку затем сжимают, присоединяют выводы и конденсатор опрессовывают пластмассой или покрывают слоем компаунда для защиты от механических повреждений и воздействия окружающей среды.

Конденсаторы имеют следующие характеристики:

1) цена более высокая, чем у бумажных конденсаторов;

2) коэффициент мощности при 25° С и 1 КГц равен 0,001, при 1 МГц уменьшается до 0,0002;

3)  добротность Q высокая, обычно порядка 2500 при емкости от 100 до 1000 пФ при 1 МГц; при более высоких и более низких значениях емкости уменьшается;                                                

4)  удельная емкость низкая по сравнению с бумаж­ными конденсаторами;

5)  рабочее  напряжение  постоянного  тока:   возможно получение высоких номинальных напряжений;

6)  отклонение емкости от номинала  (первоначальное) небольшое, до ±0,25%.

Важнейшими характеристиками слюдяных конденсато­ров являются малый угол потерь (в широком диапазоне частот),   высокое  рабочее  напряжение,   малое  изменение емкости  с температурой  и   при  старении.   Стабильность конденсаторов из  серебрёной  слюды  выше стабильности конденсаторов фольгового типа, которые после 10 лет работы при комнатных условиях давали изменение емкости ±3% (даже в случае образцов хорошего качества). Прецизионные слюдяные конденсаторы, используемые в качестве вторичных образцов емкости, были изготовлены с допуском менее 0,01% при значениях емкости более 1 мкФ. Их герметизируют для защиты от влияния окружающей среды на стабильность емкости. Конденсаторы этого типа имеют высокое постоянство емкости во времени: после 10 000 ч испытания при комнатной температуре емкость конденса­торов с номиналом 10 000 пФ осталась неизменной с точ­ностью ±0,2 пФ. Температурный коэффициент мал, и величина его зависит: от метода стяжки стопки пластин и типа обжимок; от месторождения и качества обработки слюдам от типа конструкции конденсатора (фольговый тип или из серебрёной слюды).

Страницы: 1, 2, 3