Диссертация (1143983), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В таком случае выражение (6.20) упрощается:U 02 1 b at1 a 21 bU 02U 02 2 1 b a 2 , t2 a 21 bU 02.(6.21)Из первого уравнения непосредственно выражается параметр α, определяющийостаточную емкость конденсатора при больших напряжениях смещения, акоэффициент нелинейности b находится из решения системы уравнений (7). Нарисунке 6.4 представлена осциллограмма начального участка спада напряженияпри разряде конденсатора, где число a для удобства взято равным числу e = 2,718...113Рисунок 6.4 – Осциллограмма напряжения на конденсаторе при разряде(начальный участок) [166]Посленеобходимыхалгебраическихпреобразованийимеемследующиевыражения N N 2 4a 2b1,2 , 1,22U 02 2t12 ae(1bU11,2 0 ) ln ,ln aa b1,2U 02 (6.22)где2t1(2)n 1 (1 a 2 ) 2aN, 1 eT1 , n eT1T2 , T1(2) , R2C0 ,n 1 1(6.23)τ – постоянная времени цепи разряда, t1 и t2 – значения времени от начала процессаразряда конденсатора, соответствующие напряжениям U1 = U0/a1/2 и U2 = U0/a.Практика показывает, что параметр b, как правило, имеет значения ~10-3, что принапряжении заряда 50 – 100 В дает значение параметра aкр = 2.5 – 10.Рекомендуется, исходя из практических соображений, выбирать значение числа aне менее 2.5 – 3.114Рисунок 6.5 – Зависимость нормированных емкостей конденсатора отпостоянного напряжения смещения [166]Результаты измерения емкости с помощью Е7-20 на частоте 1 кГц и расчетапо методике, описанной выше, показаны на рисунке 6.5.
На графике указаныпрямой ход измерения, соответствующий уменьшению емкости, и обратный ход,когда емкость растет. В силу того, что для сегнетоэлектрика характерен гистерезисполяризации, диэлектрическая проницаемость и, соответственно, емкостьконденсатора при увеличении напряжения смещения не равна таковой приуменьшении напряжения.Представленная на рисунке 6.5 зависимость емкости иллюстрирует одинцикл изменения напряжения смещения.
При многократном измерении емкостипульсирующим напряжением смещения полученная зависимость несколькосмещается вниз. Таким образом, рассчитанную по описанной выше методикезависимость емкости от напряжения смещения можно считать усредненнойхарактеристикой для прямого и обратного хода измерения емкости.
Также награфикепоказанахарактернаязависимостьемкостиконденсаторов, предоставляемая самим производителем.дляданноготипа115Разработанная методика позволяет получить зависимость емкости отнапряжения, не прибегая к мостовым методам измерения. Экспериментальныерезультаты, полученные с помощью предложенной методики, демонстрируют иххорошее соответствие данным прямого измерения с помощью RLC измерителя иданным производителя.Выводы1)Предложена и теоретически обоснована математическая модельемкости, нелинейно зависящей от напряжения.
Модельные представленияподтверждены экспериментально с помощью измерения зависимости емкостиисследуемых типов конденсаторов от напряжения;2)Полученыточныеаналитическиерешениядлязаряда-разряданелинейной емкости, подтвержденные экспериментально;3)Получены выражения для заряда и запасаемой энергии электрическогополя конденсатора с нелинейной зависимостью емкости, соотношения для времензаряда-разряда и энергий, рассеиваемых при заряде-разряде. Показано, что в случаеконденсатора с нелинейной зависимостью емкости от напряжения время зарядаконденсатора в ≈1.7 раза меньше, чем время разряда, вместе с тем около 70 % всейрассеиваемой энергии приходится на стадию заряда конденсатора и 30 % – настадию разряда, в отличие от конденсатора с постоянной емкостью, для которогоэто соотношение равно 50/50;4)Предложена и обоснована методика определения зависимости емкостиот напряжения с помощью импульсного разряда испытуемого конденсатора.Показано хорошее соответствие результатов расчета по предложенной методикерезультатам прямого измерения зависимости емкости от напряжения.116ЗАКЛЮЧЕНИЕ1)Обоснованавозможностьприменениясегнетокерамическихконденсаторов при повышенных электрических нагрузках в условиях короткихсроков службы.
Получены зависимости среднего срока службы для исследуемыхтипов конденсаторов от напряжения в диапазоне 20 – 700 с для коэффициентаперегрузки kп = (2 – 11) относительно Uном и частот 100 Гц, 400 Гц и 1 кГц;2)Разработаны методики исследования нелинейных электрофизическиххарактеристик сегнетокерамических конденсаторов в широком диапазоне частот0.1 Гц – 5 МГц, температур 20 – 300 °С и напряжений 0 – 120 В.
Полученытемпературно-частотные характеристики сегнетокерамических конденсаторов вдиапазоне частот 0.1 Гц – 5 МГц и температурно-полевые характеристикисегнетокерамических конденсаторов в диапазоне напряженностей поля до 20кВ/мм при температурах 20 – 300 ℃. Обнаружена спадающая полевая зависимостьфактора потерь, пропорциональная E-2 при температурах до 240 ℃, и еепоследующий степенной рост;3)Разработаныметодикиизученияудельнойпроводимостисегнетоэлектрика и кратковременной электрической прочности конденсаторов напостоянном напряжении и их температурных зависимостей в диапазонетемператур от 20 до 300 ℃. Получены температурные зависимости удельнойпроводимости сегнетокерамических конденсаторов, обнаружено два участкапроводимости, рассчитаны энергии активации.
Анализ полученных зависимостейвыявил существование механизма резкого роста потерь в высокотемпературнойобласти,которыйобусловлентермоактивационнымхарактеромудельнойпроводимости сегнетоэлектрика. Установлено, что функции распределенияэлектрической прочности для всех конденсаторов подчиняются нормальномузакону. Установлено, что средняя электрическая прочность конденсаторов X7R иY5V линейно спадает с температурой, а Z5U и Н50 – меняется незначительно;4)Созданиспытательныйстенд,позволяющийизучатьработоспособность сегнетокерамических конденсаторов при напряжениях до 600117В и частотах от 45 Гц до 1 кГц для различных форм напряжения.
Обнаружено, чтосрок службы исследуемых конденсаторов описывается степенным законом вида τсл~ A·U-n с характерными значениями n = 1 – 2, а kп обратно пропорционален частотенапряжения. Определен механизм отказа сегнетокерамических конденсаторов висследованных режимах – тепловой пробой, обусловленный термоактивационнымхарактером удельной проводимости и ее полевой зависимостью в области высокихтемператур. Получены зависимости эффективных параметров исследуемыхконденсаторов от напряженности электрического поля и от величины перегреваповерхности конденсатора. Обнаружено, что конденсаторы типа X7R обладаютмаксимальным kп относительно рабочей напряженности электрического поля;5)Предложена и теоретически обоснована математическая модельемкости, нелинейно зависящей от напряжения.
Получены точные аналитическиерешениядлязаряда-разряданелинейнойемкости,подтвержденныеэкспериментально, выражения для заряда и запасаемой энергии электрическогополя конденсатора с нелинейной зависимостью емкости. Предложена и обоснованаметодика определения зависимости емкости от напряжения с помощьюимпульсного разряда испытуемого конденсатора.118СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.Ротенберг, Б. А. Керамические конденсаторные диэлектрики / Б. А.Ротенберг.
– СПб.: ОАО НИИ "Гириконд", 2000. – 245 с.2.Kishi, H. Base-metal electrode-multilayer ceramic capacitors: past, present andfuture perspectives / H. Kishi, Y. Mizuno, H. Chazono // Japanese Journal of AppliedPhysics. – 2003. – Vol. 42. – No. 1R. – P. 1-15.3.Pan, M-J. A brief introduction to ceramic capacitors / M-J. Pan, C.A. Randall //IEEE electrical insulation magazine. – 2010. – Vol. 26.
– No. 3. – P. 44-50.4.Ханин, С. Д. Пассивные радиокомпоненты. Часть 1. Электрическиеконденсаторы / С. Д. Ханин, А. И. Адер, В. Н. Воронцов, О. В. Денисова, В. Ю.Холкин. – СПб.: СЗПИ, 1998. – 86 с.5.Чигиринский, С. Особенности и преимущества производства многослойныхструктур на основе керамики (LTCC, HTCC, MLCC) / С. Чигиринский //Компоненты и технологии. – 2009.
– №. 100.6.Kaiser, C. J. The Capacitor Handbook / C. J. Kaiser. – New York: Van NostrandReinhold, 1999. – 126 p.7.Deshpande, R. P. Capacitors / R. P. Deshpande. – New Delhi: – McGraw-HillEducation, 2015. – 342 p.8.Herbert, J. M. Ceramic Dielectrics and Capacitors / J. M.
Herbert. – New York:Gordon and Breach, 1985. – 264 p.9.Pushkar, J. Thin-film Capacitors for Packaged Electronics / J. Pushkar, E. J.Rymaszewski. – New York: Springer US, 2004. – 158 p.10.Беленький, Б. Технологические и материаловедческие проблемы развитияконденсаторов и нелинейных полупроводниковых резисторов / Б. Беленький, Н.Горбунов // Современная электроника. – 2008. – №1. – С. 10-13.11.Moulson, A. J. Electroceramics: Materials, Properties, Applications, SecondEdition / A.
J. Moulson, J. M. Herbert. – Chichester: John Wiley & Sons, 2003. – 576 p.12.Ye, Z-G. Handbook of Advanced Dielectric, Piezoelectric and FerroelectricMaterials: Synthesis, Properties and Applications / Z-G. Ye. – Cambridge: WoodheadPublishing, 2008.
– 1096 p.11913.Полонский, Ю. А. Неорганические диэлектрики для конденсаторостроения:Учеб. пособие / Ю. А. Полонский, П. А. Ротенберг, С. Д. Ханин. – СПб.: Изд-воСПбГТУ, 1993. – 79 с.14.Берзан, В. П. Справочник по электрическим конденсаторам / В. П. Берзан, Б.Ю. Геликман, М. Н. Гураевский и др; под ред. В. В.
Ермуратского. – Кишинев:Штиинца, 1982. – 310 с.15.Ануфриев, Ю. А. Эксплуатационные характеристики и надежностьэлектрических конденсаторов / Ю. А. Ануфриев, В. Н. Гусев, В. Ф. Смирнов. – М.:Энергия, 1976. – 224 с.16.Deshpande, R. P. Capacitors: technology and trends. / R.
P. Deshpande. – NewDelhi: – Tata McGraw-Hill Education, 2012. – 319 p.17.Верещагин, В. И. Функциональная керамика / В. И. Верещагин, П. М.Плетнев, А. П. Суржиков, В. Е. Фёдоров, И. И. Рогов. – Новосибирск: ИНХ СОРАН, 2004. – 350 с.18.Buchanan, R. C. Ceramic Materials for Electronics: Processing, Properties, andApplications / R. C. Buchanan. – New York: CRC Press, 1991. – 532 p.19.Nalwa, H. S.
Handbook of Low and High Dielectric Constant Materials and TheirApplications / H. S. Nalwa. – Elsevier Science, 1999. – 1108 p.20.Окадзаки, К. Технология керамических диэлектриков / К. Окадзаки; пер. с яп.М. М. Богачихина, Л. Р. Зайонца. – М.: Энергия, 1976. – 335 с.21.Handa, K. High volume efficiency multilayer ceramic capacitor / K. Handa, T.Watanabe, Y. Yamashita, M. Harata // IEEE Transactions on Consumer Electronics. –1984.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
