Диссертация (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках), страница 9

Такая система обеспечивала низкиепаразитную емкость и индуктивность. Конденсатор через измерительные цепиподключался к анализаторам импеданса Hioki IM3570 и Hioki IM3533-01.Измерительная частота варьировалась от 0.1 Гц до 5 МГц. К корпусу термошкафаподключался защитный электрод измерительного прибора с целью нивелироватьтоки утечки.

Температура изменялась от комнатной до 300 ℃ c шагом 10 ℃,скорость подъема температуры составляла около 2 ℃/мин. Термошкаф SNOL58/350 позволяет поддерживать заданную температуру с точностью ±1 ℃.Перед измерением характеристик сегнетокерамических конденсаторов всилу относительно большой протяженности измерительных цепей производиласькалибровка анализаторов импеданса, заключающаяся в измерении параметровизмерительных цепей в исследуемом диапазоне частот: импеданса Zs призамкнутой накоротко измерительной цепи и проводимости Y0 при разомкнутойцепи.

Эквивалентная схема параметров измерительной цепи показана на рисунке2.5.Рисунок 2.5 – Эквивалентная схема калибровки анализаторов импеданса57Из схемы на рисунке 2.5 видно, что измеренное значение импеданса Zm не равноистинному Zx в соответствии с выражениемZm  Z s 1 ,Y0  1Zx(2.2)где Zs – импеданс измерительной цепи при коротком замыкании, Y0 – проводимостьразомкнутой измерительной цепи.Характеристики исследуемых конденсаторов записывались анализаторамиимпеданса в электронном виде на внешний носитель информации. Последующаяобработка результатов эксперимента производилась на персональном компьютерес помощью специальных математических пакетов для обработки массивов данных.2.3.Исследование температурно-полевых характеристиксегнетокерамических конденсаторовТемпературно-полевые характеристики конденсаторов изучались с помощьюустановки, показанной на рисунке 2.6. Рассчитывались характеристики ε' и ε'' наоснове измеренных модуля импеданса |Z| и угла сдвига фаз φ.

Использовалсяизмеритель иммитанса Е7-20, позволяющий производить измерения указанныхвеличин в диапазоне частот 25 Гц – 1 МГц при различных напряженияхпостоянного смещения вплоть до 120 В. Действующее значение напряженияизмерительного сигнала для всех измерений составляло 1 В. Использовалосьусреднение результата измерения по 10 измеренным значениям.В качестве внешнего источника напряжения смещения использовалсяисточник постоянного напряжения АКИП 1137-200-1 с точностью установкинапряжения ±1 В.

Характеристики измерялись в диапазоне температур откомнатной до 240 – 260 ℃ на частоте измерительного сигнала fизм = 1 кГц присмещениях от 0 до 120 В, которые затем пересчитывались в напряженностьэлектрического поля по формуле E = U/d, где d – толщина слоя диэлектрика. Шагпо температуре составлял 40 ℃.58АКИП 1137-200-1SNOL 58/350ПКE7-20ε' (E, T)ε'' (E, T)|Z|(U, T)φ(U, T)Рисунок 2.6 – Функциональная схема установки для изучения температурнополевых характеристик2.4.Исследование температурной зависимости удельной проводимостисегнетоэлектрикаТемпературная зависимость удельной проводимости изучалась с помощьюоборудования, представленного на рисунке 2.7.

Производились измерения токаутечки конденсаторов с помощью тераомметра Е6-13М, позволяющего измерятьсопротивления до 10 ТОм при напряжениях от 1 до 1000 В. Измерения тока утечкипроизводились на напряжении 100 В для всех конденсаторов через 1 мин послеподачи напряжения [150]. При увеличении тока утечки свыше 100 мкА (пределизмерения прибора) измерительное напряжение уменьшалось так, чтобы токутечкинепревышалпределаизмерения.Удельнаяэлектропроводностьсегнетоэлектрика рассчитывалась по формуламRиз  Uизм ,   d ,I утRиз  S(2.3)59где Rиз – сопротивление изоляции, Uизм – измерительное напряжение, Iут – токутечки, γ – удельная электропроводность, d – толщина слоя диэлектрика, S –суммарная площадь обкладок конденсатора.SNOL 58/350ПКЕ6-13Мγ(T)Rиз(T)Рисунок 2.7 – Функциональная схема установки для изучения температурнойзависимости удельной проводимости сегнетоэлектрикаИзмерения производились от комнатной температуры до 300 ℃.

Шагизменениятемпературысоставлял20℃.Использоваласьспециальнаятермостойкая измерительная ячейка, как и в случае исследования температурночастотных характеристик сегнетокерамических конденсаторов.2.5.Исследование кратковременной электрической прочностисегнетокерамических конденсаторовКратковременнаяэлектрическаяпрочностьсегнетокерамическихконденсаторов изучалась с помощью экспериментальной установки, схематичнопоказанной на рисунке 2.8. Пробивное напряжение конденсаторов определялосьпри комнатной температуре, а также при ряде повышенных температур, вплоть до240 ℃. Эксперимент проводился следующим образом.

Источник высокого60напряжения Ultravolt 10C24-P125 заряжал конденсатор подпитки с Uном = 1.6 кВемкостью 10 мкФ (не указан на схеме), параллельно которому подключаетсяиспытуемый конденсатор.GW Instek GDS-72072SNOL 58/350ПКUltravolt 10C24-P125Uпр(T)Eпр(T)F(Eпр)Рисунок 2.8 – Функциональная схема установки для изучения температурнойзависимости кратковременной электрической прочности конденсаторовПодъем напряжения осуществлялся плавно, так чтобы время от моментаначала подъема напряжения до пробоя конденсатора не превышало 10 с [150].

Придостижении пробивного напряжения Uпр испытуемого конденсатора происходилпробой, и конденсатор подпитки разряжался. Спадающее напряжение наконденсаторе фиксировалось с помощью цифрового осциллографа GW Instek GDS72072 и высоковольтного щупа TESTEC TT-HV 250 с коэффициентом деления100:1. Электрическая прочность конденсатора определялась по формуле Eпр =Uпр/d, где d – толщина слоя диэлектрика. Для получения функции распределениянапряжения электрической прочности выборка конденсаторов составляла 10 шт.при каждом значении температуры. Выбор вида функции распределения истатистическая обработка результатов испытаний осуществлялись в программеMathCAD 14.612.6.Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторовпри повышенных электрических нагрузках2.6.1.

Экспериментальный стендРаботоспособность сегнетокерамических конденсаторов изучалась настенде, функциональная схема которого показана на рисунке 2.9. Стенд состоит изиспытательной камеры, инфракрасного пирометра Optris LS LT, цифровогоосциллографа GW Instek GDS-72072, источника переменного напряжения APS77050 и персонального компьютера. Источник переменного напряжения APS77050 позволяет получать напряжение различных форм (синус, меандр,пилообразное и т.д.) с частотой от 45 Гц до 1 кГц при действующих значениях до600 В. Испытания конденсаторов на работоспособность при повышенныхнагрузках производились на синусоидальном напряжении при частотах 100 Гц, 400Гц и 1 кГц.

Максимальная выходная мощность источника 500 В·А.ИспытуемыйконденсаторOptris LS LTПКGW Instek GDS-72072I(t)U(t)APS-77050ТермопараRзащRшЭкспериментальнаяячейкаРисунок 2.9 – Функциональная схема стенда для изучения работоспособностиконденсаторов при повышенных электрических нагрузкахИспытаниеконденсаторовпроисходилоследующимобразом.Наконденсатор, в цепи с которым также присутствуют защитное сопротивлениеисточника Rзащ = 750 Ом и токовый шунт Rш = 10 Ом, подавалось повышенное62переменное напряжение от источника с некоторым коэффициентом перегрузки kп= U/Uном. Конденсатор начинал испытывать перегрузку, что приводило кувеличению диэлектрических потерь и разогреву конденсатора.

При достаточномуровне напряжения на конденсаторе перегрев поверхности возрастал до величины220 – 260 градусов, после чего наступал пробой. При наступлении пробоя источникнапряжения оказывался замкнут на сопротивление Rзащ+Rш, что приводило ксрабатыванию токовой защиты источника и автоматическому выключениюнапряжения. Величина защитного сопротивления Rзащ была подобрана так, чтобыпри замыкании на него максимального напряжения источника 600 В выделяющаясяна сопротивлении мощность не превысила максимальную выходную мощностьисточника.

Срок службы сегнетокерамических конденсаторов определялся помоменту теплового пробоя, сопровождаемого резким ростом температурыперегрева поверхности. На каждом напряжении испытывалось 5 конденсаторов дляполучения среднего значения.Цифровой осциллограф GW Instek GDS-72072 фиксировал напряжение и токчерез конденсатор.

Осциллограммы тока и напряжения записывались в цифровомвиде через интервалы времени 5 – 40 с в зависимости от скорости ростатемпературы поверхности. Из осциллограммы напряжения, записанной передотказом конденсатора, определялось среднеквадратичное напряжение, прикотором произошел пробой конденсатора.