Диссертация (1143983), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Стоит отметить, что приведенная на рисунке 5.1кривая 1 в силу специфики теплового пробоя не соответствует в строгом смыслестационарному тепловому режиму, так как при повышенной нагрузке и перегревеконденсатора возможно относительно медленное развитие теплового пробоя запромежутки времени порядка 10 – 30 мин.На рисунках 5.2 – 5.5 приведены зависимости среднего срока службы τсл отнапряжения на конденсаторе при различных частотах испытательного напряжения.Действующие значения напряжений, при которых конденсаторы выходят из строя,составляют (2 – 6)·Uном для X7R, (2 – 4)·Uном для Y5V, (5 – 11)·Uном для Z5U и (7 –10)·Uном для Н50. Однако если принять в расчет то, что производителямирекомендуется при эксплуатации конденсаторов на переменном напряжениипринимать величину Uном в качестве напряжения пик-пик, то действующее рабочеенапряжение для конденсатора с Uном = 50 В составит 17.7 В.
В этом случае значения90коэффициента перегрузки kп = 2√2·U/Uном будут скорректированы и составят 6 – 17для X7R, 6 – 11 для Y5V, 14 – 31 для Z5U, 20 – 28 для Н50.Срок службы конденсаторов в общем случае убывает по степенному закону сл AU n ,(5.1)где A – произвольная константа, U – напряжение на конденсаторе, n – степеннойпоказатель. Показатель n, как правило, принимает значения 1 – 2, в случае срокаслужбы конденсаторов Y5V на частоте 1 кГц n = 9. Значения степенного показателяуказанынаграфиках5.2–5.8.Математическиевыраженияфункцийаппроксимации для срока службы приведены в работе автора [163].Наблюдается общая тенденция к увеличению напряжения выхода из строяпри уменьшении частоты напряжения для одного и того же τсл.
Анализзависимостей срока службы от напряжения показал, что данная тенденцияподчиняется степенному закону в виде сл a f k ,(5.2)где a – произвольная константа, f – частота напряжения, k – степенной показатель,равный приблизительно 0.25.Рисунок 5.1 – Зависимости температуры перегрева поверхности конденсатора θ отвремени при различных напряжениях на конденсаторе: 1 – 123 В (без отказа), 2 –131 В, 3 – 136 В, 4 – 140 В, 5 – 148 В, 6 – 158 В [163]91Рисунок 5.2 – Зависимости среднего срока службы конденсаторов X7R отвеличины действующего напряженияРисунок 5.3 – Зависимости среднего срока службы конденсаторов Y5V отвеличины действующего напряжения92Рисунок 5.4 – Зависимость среднего срока службы конденсаторов Z5U отвеличины действующего напряженияРисунок 5.5 – Зависимость среднего срока службы конденсаторов Н50 отвеличины действующего напряжения93Для сравнения всех типов конденсаторов между собой их сроки службыпостроены от действующего значения напряженности электрического поля приразличных частотах на рисунках 5.6 – 5.8.
Из графиков видно, что наибольшиенапряженности поля характерны для конденсаторов X7R, затем следует Н50.Однако конденсаторы Н50 обладают невысокой электрической прочностью, чтоделает диапазон возможных перегрузок достаточно узким. Так, для частотыиспытательного напряжения 100 Гц не удалось получить зависимость срокаслужбы от напряжения, поскольку при повышении напряжения источникапроисходил мгновенный пробой конденсаторов без предварительного разогрева.Таким образом, существует область значений напряжений (или напряженностейполя), в которой тепловая форма пробоя сменяется электрической.Рисунок 5.6 – Зависимость среднего срока службы исследуемых конденсаторов отвеличины действующей напряженности электрического поля частотой f = 1 кГц94Рисунок 5.7 – Зависимость среднего срока службы исследуемых конденсаторов отвеличины действующей напряженности электрического поля частотой f = 400 ГцРисунок 5.8 – Зависимость среднего срока службы исследуемых конденсаторов отвеличины действующей напряженности электрического поля частотой f = 100 Гц95Исследуемые сегнетокерамические конденсаторы после теплового пробояобследовались визуально.
Пример фотографий конденсаторов после испытанийповышенным переменным напряжением дан на рисунках 5.9 и 5.10. Заметноизменение цвета керамического диэлектрика и герметизирующего компаунда,вытекание оловянного припоя вследствие воздействия высоких температур. Вслучае конденсаторов типа Н50 наблюдается проплавленный канал пробоя, чтоговорит о весьма высоких температурах в зоне пробоя, соответствующихтемпературе плавления керамического диэлектрика – около 1500 ℃.Рисунок 5.9 – Вид пробитого конденсатора типа X7R.
Частично удаленэпоксидный компаундРисунок 5.10 – Вид пробитого конденсатора типа Н50. Удален эпоксидныйкомпаунд965.3.Изучение зависимостей эффективных параметров конденсатора вусловиях воздействия испытательного напряженияПри работе сегнетокерамического конденсатора в цепи переменного тока инапряжении на конденсаторе, значительно превышающем Uном, существеннымстановится проявление нелинейного характера зависимости емкости конденсатораот напряжения. Это выражается в появлении в цепи гармоник тока и напряжениянечетного порядка. В подобных несинусоидальных режимах малосигнальныепараметры конденсатора, полученные при амплитудах измерительного сигналазначительно меньших, чем номинальное напряжение конденсатора, неприменимы[139,163].На рисунках 5.11 – 5.16 показаны зависимости эффективных параметровизучаемых конденсаторов от напряжения и перегрева поверхности конденсатора.Зависимости эффективной емкости от перегрева поверхности конденсатора и отнапряжения на конденсаторе схожи с соответствующими температурночастотными и температурно-полевыми характеристиками – имеют спадающийхарактер с изменением величины емкости в 5 – 10 раз от начального значения.
Посравнению с указанными характеристиками зависимости эффективной емкостиспадают менее резко, несмотря на то, что на емкость конденсатора влияютодновременно два фактора: повышенная напряженность поля и высокаятемпература. Также следует отметить, что эффективная емкость конденсаторовтипа X7R под нагрузкой убывает медленнее прочих типов конденсаторов, чтотакжехарактеризуетработоспособностьX7Rкакмаксимальнуюизрассматриваемых типов конденсаторов.Из графиков для эффективного угла диэлектрических потерь (рисунки 5.11 –5.16) видно, что зависимости потерь от напряженности поля (перегрева) имеютспадающий участок, минимум и участок роста.
Такой характер измененийсоответствует полученным ранее температурно-полевым характеристикам, прианализе которых был выявлен их спад с напряженностью электрического поля итемпературой, переходящий после определенной температуры в резкий рост97потерь. Как и в случае эффективной емкости, зависимость эффективных потерь отнапряженности электрического поля довольно резко спадает за счет действиявысокой температуры и электрического поля одновременно. По минимумуэффективного тангенса угла диэлектрических потерь можно определитьнапряженность поля и перегрев поверхности конденсатора, при которых ненаблюдается роста потерь.
Для X7R и частоты f = 1 кГц эти величины составляютоколо 17 кВ/мм и 130 ℃, для Y5V – 8 кВ/мм и 90 ℃, для Z5U – 5 кВ/мм и 50 ℃,для Н50 – 8 кВ/мм и 100 ℃. С уменьшением частоты напряжения минимумэффективного тангенса угла диэлектрических потерь смещается в область болеенизких температур и напряженностей и, для большинства типов исследуемыхконденсаторов, исчезает. На частоте 100 Гц эффективный тангенс угладиэлектрических потерь испытывает монотонный рост.
Величина эффективныхпотерь, как правило, значительно превышает типичные для сегнетокерамическихконденсаторов значения единиц процентов и достигает величины 10 – 15 % принапряженностях поля, незначительно превышающих рабочую.Сопоставляя зависимости эффективных параметров конденсаторов отвеличины действующей напряженности электрического поля и от величиныперегрева, можно заметить близость форм кривых данных зависимостей.
Этот фактуказывает на то, что величина перегрева θ = Tп – Tокр пропорциональна напряжениюна конденсаторе. Между тем, для диэлектрических потерь конденсатора известносоотношениеP CU 2tg ,(5.3)где P – мощность диэлектрических потерь, C – емкость конденсатора, U –действующее напряжение, tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.Из основ теплотехники известно, что величина перегрева в стационарномтепловомрежимепрямопропорциональнамощноститепловыделения,следовательно, перегрев должен быть прямо пропорционален квадрату напряжения(напряженности поля) θ ~ P ~ U2 [14,15]. Анализ полученных зависимостейэффективныхпараметровпоказал,чтовслучаесегнетокерамическихконденсаторов эта пропорциональность нарушается. Перегрев поверхности98исследуемых конденсаторов был пропорционален напряжению на конденсаторе встепени 0.7 – 2.3 в зависимости от частоты и типа конденсатора.
Степенинапряжения для разных частот напряжения и типа конденсаторов приведены втаблице 5.1Таблица 5.1 – Степень пропорциональности зависимости перегрева поверхностиконденсатора от напряженияθ ~ UnТип ТСЕ конденсатораf, ГцX7RY5VZ5UН501002.31.61.814001.81.220.91000111.60.7Рисунок 5.11 – Зависимость эффективных параметров исследуемыхконденсаторов от величины действующей напряженности электрического Ec полячастотой f = 1 кГц99Рисунок 5.12 – Зависимость Cэфф и tgδэфф от величины перегрева поверхностиконденсатора при частоте электрического поля f = 1 кГцРисунок 5.13 – Зависимость Cэфф и tgδэфф от величины действующейнапряженности электрического поля Ec частотой f = 400 Гц100Рисунок 5.14 – Зависимость Cэфф и tgδэфф от величины перегрева поверхностиконденсатора при частоте электрического поля f = 400 ГцРисунок 5.15 – Зависимость Cэфф и tgδэфф от величины действующейнапряженности электрического поля Ec частотой f = 100 Гц101Рисунок 5.16 – Зависимость Cэфф и tgδэфф от величины перегрева поверхностиконденсатора при частоте электрического поля f = 100 ГцНа рисунках 5.17 – 5.20 приведены зависимости эффективных емкости итангенсаугладиэлектрическихпотерьотдействующейнапряженностиэлектрического поля для разных частот.
С уменьшением частоты напряженияэффективные емкость и тангенс угла диэлектрических потерь испытывают рост,что наблюдается и в случае температурно-частотных характеристик, полученныхна малых амплитудах измерительного сигнала. Эффективная емкость с частотойменяется значительно сильнее, в отличие от ее малосигнального аналога, что, повидимому, связано с нелинейным характером зависимости емкости от напряжения.Эффективный тангенс угла диэлектрических потерь растет по мере уменьшениячастоты в силу увеличения вклада потерь, обусловленных проводимостьюдиэлектрика, в суммарные диэлектрические потери.102Рисунок 5.17 – Зависимость Cэфф и tgδэфф конденсатора X7R от величиныдействующей напряженности электрического поля Ec при различных частотахРисунок 5.18 – Зависимость Cэфф и tgδэфф конденсатора Y5V от величиныдействующей напряженности электрического поля Ec при различных частотах103Рисунок 5.19 – Зависимость Cэфф и tgδэфф конденсатора Z5U от величиныдействующей напряженности электрического поля Ec при различных частотахРисунок 5.20 – Зависимость Cэфф и tgδэфф конденсатора Н50 от величиныдействующей напряженности электрического поля Ec при различных частотах104Сравнениеэффективныхималосигнальныхпараметровсегнетокерамических конденсаторов представлено на примере конденсаторов типаX7R и частоты 1 кГц на рисунке 5.21.
Эффективная емкость превышает значениямалосигнальной емкости во всем исследуемом диапазоне напряженностей поля.Это связано с тем, что эффективная емкость определяется действующим током,протекающимчерезконденсатор.Такимобразом,приростеактивнойпроводимости с температурой ток через конденсатор будет также расти, чтоприводит к значениям Cэфф, превышающим малосигнальную емкость. Приневысоких напряженностях электрического поля эффективный тангенс угладиэлектрических потерь в 3 – 6 раз превосходит величину тангенса, измеренную намалых амплитудах напряжения, что, видимо, обусловлено диэлектрическимипотерями, связанными с переориентацией доменов. По мере роста напряженностиэлектрического поля возрастает тепловыделение в силу диэлектрических потерьконденсатора, что приводит к росту температуры и уменьшению tgδэфф, так как росттемпературы вызывает нарушение границ доменов и сокращение потерь напереориентацию.Рисунок 5.21 – Сравнение эффективных и малосигнальных параметровконденсатора X7R при частоте f = 1 кГц105Высокие напряженности электрического поля ведут к дальнейшему ростутемпературы, при котором главным механизмом диэлектрических потерьстановятся потери проводимости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
