Главная / Материалы и элементы электронной техники / Лабораторная работа №3. Исследование характеристик конденсаторов постоянной емкости

Лабораторная работа №3. Исследование характеристик конденсаторов постоянной емкости

Цель работы

Ознакомление с различными видами конденсаторов постоянной емкости, в том числе электролитическими. Исследование температурной стабильности емкости и тока утечки конденсаторов.

3.1. Основные сведения о конденсаторах

Конденсатор, как следует из его названия, предназначен для «конденсирования» (накопления) электрического заряда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком, образуют конденсатор. Заряд конденсатора Q и накопленная в нем энергия W связаны с напряжением U на его электродах и его емкостью С известными выражениями:

Q = CU, W = CU2 / 2

При расчетах в системе СИ емкость конденсатора выражают в фарадах (Ф). Реальные конденсаторы обычно имеют емкость, составляющую миллиардные, миллионные или тысячные доли фарады. Поэтому для маркировки их емкости используются производные единицы: пикофарады (1 пФ = 10─12 Ф), нанофарады (1 нФ = 1000 пФ = 10─9 Ф) и микрофарады (1 мкФ = 1000 нФ = 10─6 Ф). Наиболее часто емкость указывают на корпусе конденсатора в явном виде, например: 510 пФ; 15 нФ; 0,022 мкФ; 100 мкФ. На зарубежных конденсаторах эти же номинальные значения имеют следующую маркировку: 510 PF; 15 NF; 0,022 μF; 100 μF. На микроминиатюрных конденсаторах принято не указывать единиц измерения; их емкость всегда выражают в пикофарадах числовым кодом, в котором первые две цифры являются значащими, а последняя цифра указывает степень N множителя 10N. Например, маркировка «102» на корпусе конденсатора означает емкость 10∙102 пФ = 1000 пФ, а «223» означает 22∙103 пФ = 22000 пФ = 22 нФ или 0,022 мкФ.

Допустимые отклонения емкости конденсатора от номинального значения обычно связаны с температурными нестабильностями в диапазоне рабочих температур. На пленочных, бумажных и электролитических конденсаторах допуск приводится в маркировке и указывается в процентах, например ±5%; ±10%; ±20%.

Конденсаторы с керамической изоляцией обладают, как правило, тем большим допуском номинального значения, чем выше их номинальная емкость. Здесь принято два вида обозначений допуска. Для конденсаторов с предсказуемой монотонно изменяющейся зависимостью емкости от температуры, т. е. с известным значением температурного коэффициента емкости (ТКЕ), введены группы термостабильности, указываемые на корпусе конденсатора вместе с его номинальной емкостью, табл.3.1.

Таблица 3.1. Группы термостабильности керамических конденсаторов с постоянным ТКЕ

Относительное изменение емкости (Ppm/°C)

+100

+33

0

–47

–75

–150

–750

–1500

Отечественное обозна-чение группы ТКЕ

П100

П33

МП0

М47

М75

М150

М750

М1500

Буквенный код ТКЕ (зарубежные конденсаторы, нормы CEI )

A

B

G

H

(–33)

L

P

U

Для этой группы конденсаторов во всем диапазоне рабочих температур с определенным допуском, достигающим ±20…100% от объявленной величины, ТКЕ может быть задан как постоянная величина, рассчитываемая по известной формуле:

(3.1)

Обозначение группы термостабильности конденсаторов отечественного производства, у которых в пределах рабочих температур изменение емкости не имеет монотонного характера (ТКЕ сначала может расти, а затем падать, или наоборот), начинается с русской буквы Н. Вслед за буквой Н указывается двухзначное число, обозначающее допуск (в процентах) изменения емкости, табл. 3.2.

Таблица 3.2. Группы термостабильности керамических конденсаторов с неопределенным ТКЕ

Относительное изменение емкости, ∆С/С, %

±10%

±20%

±30%

±50%

±70%

Более ±70%

Отечественное обозначение группы допуска

Н10

Н20

Н30

Н50

Н70

Н90

Зарубежное обозначение группы допуска (нормы CEI )

2B

2C

2D

(+20%…

… -30%)

2E

(+20%…

…-55%)

2F

(+30%…

…-80%)

Примечание: Цифра 2 перед буквами В, С, D и т. д. указывает на принадлежность конденсаторной керамики к категории с неопределенным ТКЕ (категория 2).

На рис. 3.1 изображена температурная зависимость ТКЕ для наиболее распространенных типов конденсаторных керамик Y5V (применяется в конденсаторах емкостью от 1000 пФ до 10 нФ) и X7R (от 1 до 300 нФ).

Температура оказывает влияние не только на значение емкости конденсатора, но и на его ток утечки, характеризующий электрическую прочность изоляции. Температурное изменение тока утечки особенно велико у электролитических конденсаторов. Для электролитических конденсаторов с алюминиевыми электродами максимальный ток утечки IУт [мкА] в рабочем диапазоне температур (обычно от –40°С до +85°С) вычисляется по следующей эмпирической формуле:

IУт ≤ 0,01СU (для СU ≤ 1000) или

IУт ≤ 0,03СU (для СU > 1000), (3.2)

Где С выражена в мкФ, а U – в вольтах.

Рис. 3.1. Зависимость ТКЕ от температуры для различных типов керамики

Как известно, зависимости тока и напряжения на конденсаторе во время переходных процессов в RC-цепях с источниками постоянного напряжения описываются экспоненциальной функцией. Общее решение дифференциального уравнения для цепи зарядки/разрядки конденсатора С через резистор R дает следующую зависимость напряжения на конденсаторе U(T) от текущего времени T:

U(T) = U∞ – (U∞ – U0)∙exp(– T/τ), (3.3)

Где U∞ – напряжение на конденсаторе после окончания переходного процесса, т. е. для времени T = ∞ ; U0 – напряжение на конденсаторе в момент начала переходного процесса, т. е. для T = 0; τ = RCПостоянная времени цепи зарядки/разрядки.

Если конденсатор изначально не заряжен, т. е. U0 = 0, а к моменту полной зарядки (при T = ∞) напряжение на нем становится равным напряжению источника питания, т. е. U∞ = UП, то формула (3.3) приводится к следующему известному виду:

U(T) = UП [1 – exp (– T/τ)] (3.4)

Напротив, если в начале переходного процесса (T = 0) конденсатор был заряжен до напряжения U0, а к концу переходного процесса он разряжается до нуля, т. е. U∞ = 0, то формула (3.3) приводится к другому известному виду:

U(T) = U0 exp (– T/τ) (3.5)

В настоящей лабораторной работе предоставляется возможность проверить на практике справедливость выражений (3.4) и (3.5).

3. 2. Порядок выполнения исследований

3.2.1. Исследование ТКЕ конденсаторов

В лабораторной работе исследуется температурная зависимость емкости двух конденсаторов с керамической изоляцией: многослойный с однонаправленными выводами и керамикой типа Y5V и многослойный планарный конденсатор с керамикой Х7R. Рабочий диапазон температур первого конденсатора –25 … +85°С, второго –55 … +125°С. Для проведения исследований собирается схема, изображенная на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема проведения измерений ТКЕ керамических конденсаторов

Сначала измеряется емкость конденсаторов при комнатной температуре, а затем, производится постепенный нагрев конденсаторов до максимальной рабочей температуры с одновременным измерением емкости. По результатам измерений заполняется табл. 3.3.

Таблица 3.3

Температура Т, °С

Емкость конденсатора с керамикой Y5V, нФ

Температурный коэффициент емкости aС конденсатора с керамикой Y5V, Ppm/°С

Емкость конденсатора с керамикой Х7R, нФ

Температурный коэффициент емкости aС конденсатора с керамикой Х7R, Ppm/°С

Значения aС рассчитываются по данным соседних столбцов таблицы с помощью формулы (3.1). По результатам эксперимента строятся зависимости емкости конденсаторов и ТКС от температуры и должен быть сделан вывод о принадлежности исследованных конденсаторов к какой-либо из нормализованных групп термостабильности (см. табл. 3.1 и табл. 3.2).

3.2.2. Исследование температурной зависимости тока утечки электролитического конденсатора с алюминиевыми электродами

В лабораторной работе исследуется температурная зависимость тока утечки алюминиевого электролитического конденсатора с номинальной емкостью 100 мкФ, с максимальным напряжением 50 В и диапазоном рабочих температур –25 … +85°С. Для измерения тока утечки конденсатора используется стабилизированное напряжение +18 В. Ток утечки измеряется с помощью мультиметра 1 по падению напряжения на балластном резисторе RБ сопротивлением около 1 МОм, включенном в цепь зарядки конденсатора (рис. 3.3). Такой способ измерения тока вызван отсутствием в применяемых мультиметрах пределов измерения токов, рассчитанных на единицы мкА. После сборки схемы необходимо зарядить исследуемый конденсатор до напряжения источника питания, замкнув накоротко балластный резистор при помощи перемычки на 5-10 с. Перед началом измерений нужно также измерить сопротивление балластного резистора RБ. В процессе эксперимента необходимо измерять падение напряжения на балластном резисторе и пересчитывать его в ток с помощью закона Ома. При подключении конденсатора С к зажимам «Cx, Rx» следует помнить, что электролитический конденсатор является полярным и важно, чтобы положительный полюс конденсатора (+) подключался к положительному полюсу источника питания.

Рис. 3.3. Схема измерений температурной зависимости тока утечки алюминиевого электролитического конденсатора

По результатам исследований заполняется табл. 3.4 и строится зависимость тока утечки конденсатора от температуры.

Таблица 3.4

Температура Т, °С

Падение напряжения на балластном резисторе, мВ

Ток утечки, мкА (расчитать)

Сравните полученные значения тока утечки со значениями, вычисляемыми по эмпирической формуле (3.2).

3.2.3. Исследование процесса зарядки конденсатора

В лабораторной работе исследуется зависимость от времени напряжения на конденсаторе в процессе его зарядки. Параметры конденсатора: емкость 1000 мкФ, максимальное напряжение 25 В. В качестве источника питания используется выход стабилизированного источника напряжения +18 В. В цепь зарядки конденсатора включается ограничительный резистор Rc сопротивлением 30…70 кОм (рис.3.3).

Рис. 3.4. Схема исследования процессов зарядки и разрядки конденсатора

Перед началом эксперимента необходимо измерить сопротивление ограничительного резистора Rc, а также разрядить конденсатор, замкнув его выводы накоротко на несколько секунд.

Соберите схему, изображенную на рис. 3.4. При сборке обратите внимание на правильность подключения полярного конденсатора. Приготовьте секундомер и включите питание стенда. Через каждые 15 секунд записывайте показания вольтметра.

Для исследования процесса разрядки конденсатора приготовьте секундомер, отключите положительный полюс конденсатора от источника напряжения и замкните его на общую точку (см. рис. 3.4). Через каждые 15 секунд записывайте показания вольтметра до тех пор, пока конденсатор не разрядится.

Постройте зависимости Uc = F(T) для процессов зарядки и разрядки конденсатора. Сравните полученные экспериментальные зависимости с расчетными, построенными по формулам (3.4), (3.5).

Содержание отчета

Схемы измерений параметров конденсаторов

Заполненные таблицы 3.3, 3.4 и таблицы снятия временной зависимости зарядки и разрядки конденсатора.

Графики температурных зависимостей емкости и тока утечки исследованных конденсаторов.

Графики расчетной и экспериментальной зависимостей изменения напряжения на конденсаторе при его зарядке и разрядке.

Выводы по результатам исследований.