Автореферат (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках), страница 3

При этомболее резкий рост фактора потерь вобщем случае коррелирует с болеенизкойэнергиейактивацииввысокотемпературной области (областьтемператур выше 100 ℃ для X7R, Z5U,Н50 – энергии активации с индексом«2»).В четвертой главе приведены результаты изучения кратковременной электрическойпрочности сегнетокерамических конденсаторов: функции распределения электрическойпрочности и температурная зависимость средней электрической прочности конденсаторов.Установлено, что функции распределения электрической прочности Eпр дляисследуемых конденсаторов подчиняются нормальному закону. Электрическая прочностьконденсаторов лежит в пределах от 20 до 110 кВ/мм.

Нормальные функции распределенияEпр показаны на рисунке 5 на примере конденсаторов X7R.Рисунок 5 – Нормальные функциираспределения Eпр конденсаторов X7Rпри различных температурахРисунок 6 – Температурные зависимостиĒпр для исследуемых конденсаторов9Обнаружено, что для конденсаторов групп ТСЕ X7R и Y5V средняя электрическаяпрочность Ēпр линейно падает (рисунок 6) по мере роста температуры на 67 и 64 %относительно комнатной температуры соответственно. В то же время для Z5U и Н50 Ēпрслабо меняется с ростом температуры, вплоть до 240 ℃, при этом происходит спад на 24 и22 % относительно комнатной температуры соответственно.В пятой главе представлены результаты исследования работоспособностисегнетокерамических конденсаторов при повышенных нагрузках переменного тока.Получены зависимости коротких сроков службы в диапазоне 20 – 700 с от напряжения наконденсаторе при частотах 100, 400 и 1000 Гц.

В ходе исследования было установлено, чтосрок службы конденсаторов с ростом напряжения убывает в соответствии со степеннымзаконом сл  AU n ,(4)где A – произвольная константа; U – напряжение на конденсаторе; n – степенной показатель.Значения степенного показателя nсоставляли, как правило 1 – 2 для X7R,Z5U и Н50, для Y5V достигая 9 (рисунок7). Установлено, что по мере ростачастоты испытательного напряжения τслконденсаторов убывает. Действующиезначения напряжений, при которыхконденсаторывыходятизстроя,составляют (2 – 6)·Uном для X7R, (2 –4)·Uном для Y5V, (5 – 11)·Uном для Z5U и(7 – 10)·Uном для Н50.

При учете того, чтономинальное действующее напряжениедля конденсаторов с Uном = 50 В поРисунок 7 – Зависимости τсл от величинырекомендации производителей равнодействующей напряженности электрического17.7 В, значения kп составляют 6 – 17 дляполяX7R, 6 – 11 для Y5V, 14 – 31 для Z5U, 20– 28 для Н50, причем меньшим частотам соответствуют большие значения перегрузок. Привоздействии на испытуемые конденсаторы напряжения низкой частоты менее 100 Гцдлительность срока службы ограничивалась величиной кратковременной электрическойпрочности конденсатора. В области повышенных частот более 100 Гц срок службыисследованных конденсаторов определяется развитием теплового пробоя вследствиетермоактивационного характера проводимости в области высоких температур.

Характернаядля развития тепловой формы пробоя динамика роста температуры поверхностиконденсатора показана на рисунке 8. Экспериментально показано, что конденсаторы сгруппой ТСЕ типа X7R обладают в удельном отношении максимальной способностью10выдерживать перегрузки по сравнению стакими же сроками службы других типовконденсаторов, превосходя их позначению действующей напряженностиэлектрического поля на 50% и более. Приработесегнетокерамическогоконденсатора в цепи переменного тока инапряженияхнаконденсаторе,значительнопревышающихUном,существенным становится проявлениенелинейного характера зависимостиемкости конденсатора от напряжения.Это выражается в появлении в цепиРисунок 8 – Зависимости температурыгармоник тока и напряжения нечетногоперегрева поверхности конденсатора θ отпорядка.

В подобных несинусоидальныхвремени при различных напряжениях наконденсаторе: 1 – 123 В (без отказа), 2 – 131 В, режимах малосигнальные параметрыконденсатора неприменимы. Смысл3 – 136 В, 4 – 140 В, 5 – 148 В, 6 – 158 Вимеютэффективныепараметрыконденсатора, рассчитываемые следующим образомT1P , S  UI , P  1 u i  dt,Cэфф  I , tg эфф T 0 cS 2  P2  Zэфф  U(5)где ω = 2πf – круговая частота испытательного напряжения, |Żэфф| - модуль эффективногоимпеданса конденсатора, I – среднеквадратичный (действующий) ток, U –среднеквадратичное (действующее) напряжение на конденсаторе, P – активная мощностьпотерь конденсатора, S – полная мощность конденсатора, uc – напряжение на конденсаторе,i – ток через конденсатор, T = 1/f – период испытательного напряжения.Получены зависимости эффективных параметров сегнетокерамических конденсаторов– емкости и тангенса угла диэлектрических потерь (рисунок 9) – от действующего значениянапряженности электрического поля (напряжения на конденсаторе).

Обнаружено, чтозависимости эффективных параметров имеют тот же спадающий характер, что итемпературно-полевые характеристики, однако спадают менее резко, несмотря на то, что наемкость конденсатора влияют одновременно два фактора: повышенная напряженность поляи высокая температура; эффективный тангенс угла диэлектрических потерь по достиженииопределенной напряженности поля (температуры) испытывает резкий рост.

Установлено,что эффективная емкость конденсаторов типа X7R под нагрузкой убывает медленнеепрочих типов конденсаторов, что также характеризует работоспособность X7R какмаксимальную среди рассматриваемых типов конденсаторов.11Рисунок 9 – Зависимости Cэфф и tgδэфф исследуемых конденсаторов отвеличины действующей напряженности электрического поля Ec частотой f= 1 кГцВ шестой главе представлены результаты теоретического анализа поведениянелинейного емкостного элемента в электрической цепи, предложена и обоснованаметодика определения зависимости емкости от напряжения с помощью импульсногоразряда испытуемого конденсатора.Выражение для нелинейно зависящей от напряжения емкости сегнетокерамическогоконденсатора имеет следующий видC (U )  Cres C11 ,2  С1   С 1  bU1  bU 2 (6)где Сres, C1 – остаточная емкость и емкость сегнетоэлектрика (практически независящие от напряжения), b – коэффициент нелинейности, δC = Сres/C1.На основании предложенной математической модели получены точные аналитическиерешения для разряда конденсатора в неявном виде22 1  bU dch U0 t (U dch )  ln , 2 2  U dch 1  bU 0 и для заряда конденсатора в неявном виде12(7)t (Uch )  ln 10ch UU0 U2 0 2 ch ch 1  ln U0 1 bUU0 U1 bU bUch2  arctg  bU2   ,ch     (8)где τ = RdchC0, C0 – номинальная емкость конденсатора, α = 1 + δC, U0 – начальноенапряжение на конденсаторе, индексы «dch» (discharge) и «ch» (charge) обозначают разряди заряд конденсатора соответственно.Полученные решения хорошо согласуются с данными эксперимента (рисунок 10), приусловии, что длительность фронтов нарастания и спада много меньше, чем постоянная τ.Рисунок 10 – Напряжения и токи конденсатора X7R в режимах заряд-разрядПоказано, что энергия, накапливаемая конденсатором с нелинейной зависимостьюемкости от напряжения, не равна таковой для конденсатора с постоянной емкостью той жевеличины.

Выражения для этих энергий имеют следующий видWstore C0C U2(C  Cres )U02ln(1 bU02 )  res 0  Wlinear  0,222b(9)где Wstore – энергия электрического поля, запасаемая конденсатором с нелинейной емкостью,U0 – начальное напряжение на конденсаторе, C0 – номинальная емкость конденсатора, Cres –остаточная емкость (постоянная), b – коэффициент нелинейности, Wlinear – энергияэлектрического поля, запасаемая конденсатором с постоянной емкостью. Полученноесоотношение (9) для накапливаемой энергии позволяет корректно рассчитать объемнуюплотность электрической энергии сегнетокерамических конденсаторов.13На основании полученного решения (7) для разряда конденсатора предложенаметодика определения зависимости емкости сегнетокерамического конденсатора отнапряжения.

Результатом расчета по предложенной методике являются значенияпараметров b – коэффициента нелинейности, и α – коэффициента, определяющегоостаточную емкость конденсатора при больших напряжениях смещения в виде 2t12 ae(1bU N  N  4a11,2 0 ) b1,2 ,ln1,2 a  b U 2 ,2U 02ln a1,2 0(10)2tn1 (1  a 2 )  2aN, 1  eT1 , n  eT1 T2 , T1(2)  1(2) ,   R2C0 ,n1  1τ(11)22гдеτ – постоянная времени цепи разряда, t1 и t2 – значения времени от начала процесса разрядаконденсатора, соответствующие напряжениям U1 = U0/a1/2 и U2 = U0/a; a – произвольноечисло. Критическое значение числа a, при котором корень в выражении (10) становитсяравен нулю, равно aкр = bU02.Анализ (10) на модельной кривойразряда (7) с заданными параметрамиα и b показывает, что при значениях aменьше критического истиннымиявляютсязначенияпараметров,соответствующие знаку «+» в (10), апри значениях а больше критического– знаку «–».

На практике параметр b,как правило, имеет значения ~10-3, чтопри напряжении заряда 50 – 100 В даетзначение параметра aкр = 2.5 – 10.Результаты измерения емкостина частоте 1 кГц и расчета по методикепоказаны на рисунке 11. На графикеРисунок 11 – Зависимости нормированнойуказаны прямой ход измерения,емкости конденсатора от напряжения смещениясоответствующийуменьшениюемкости, и обратный ход, соответствующий росту емкости.

Экспериментально показано, чторазработанная методика позволяет получить зависимость емкости от напряжения, неприбегая к мостовым методам измерения, а результаты, полученные с помощьюпредложенной методики, демонстрируют их хорошее соответствие данным прямогоизмерения с помощью RLC измерителя и данным производителя.14ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1)Обоснована возможность применения сегнетокерамических конденсаторовпри повышенных электрических нагрузках в условиях коротких сроков службы.