допускаемых отклонений емкостей в процентах или пикофарадах

Основные электрические параметры и характеристики

2.1. Номинальная емкость и допуск

Номинальная емкость—емкость, значение которой обозначено на конденсаторе или указано в нормативно-технической документации (НТД) и является исходным для отсчета допускаемого отклонения.

Номинальные емкости стандартизованы и выбираются из определенных рядов чисел. Согласно стандарту СЭВ I076—78 установлены 7 рядов: ЕЗ, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифра после буквы Е указывает число номинальных значений в каждом десятичном интервале (декаде). Например, ряд Е6 содержит шесть номинальных емкостей в каждой декаде, которые соответствуют числам 1,0; 1,5: 2,2; 3,3: 4.7; 6,8 или числам, полученным их умножением или делением на 10 ⁿ, где п—целое положи­тельное или отрицательное число.

В производстве конденсаторов чаще всего используются ряды ЕЗ, Е6. Е12 и Е24 (табл. 2.1), реже Е48, Е96 и Е192. Точные и некоторые специальные конденсаторы могут изготавливаться на заданную емкость, которая указывается в документе на поставку.

Фактические значения могут отличаться от номинальных в пределах допусти­мых отклонений (допусков). Последние указываются в процентах в соответствии с рядом: ±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1; ±2; ±5; ±10; ±20; ±30; 0 + 50; ­10 + 30; -10+50; –10 + 100; –20 + 50; –20 + 80. Для конденсаторов с номинальными емкостями ниже 10 пФ допуски указываются в абсолютных значениях: ±0,1; ±0,25; +0,5; +1 пФ.

Та б л и ц а 2.1. Наиболее употребляемые ряды номинальных значений емкостей

2.2. Номинальные напряжение и ток

Номинальное напряжение—напряжение, значение которого обозначено на кон­денсаторе или указано в НТД, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допускаемых пределах. Значение номинального напряжения зависит от конструкции конденсатора и физических свойств материалов, примененных при его конструировании.

Номинальное напряжение устанавливается с необходимым запасом по отноше­нию к электрической прочности диэлектрика, исключающим возникновение в течение гарантированного срока службы интенсивного старения диэлектрика, которое приво­дит к существенному ухудшению электрических характеристик конденсаторов.

Длительная электрическая прочность диэлектрика зависит от вида электриче­ского напряжения (постоянное, переменное, импульсное), температуры и влажности окружающей среды, площади обкладок конденсатора, с увеличением которой растет число «слабых мест» диэлектрика, и от времени его эксплуатации. Соответственно от этих факторов зависит и значение номинального напряжения.

Номинальное напряжение конденсаторов многих типов уменьшается с ростом температуры окружающей среды, так как с увеличением температуры, как правило, ускоряются процессы старения диэлектрика. При эксплуатации конденсаторов на переменном или постоянном токе с наложением переменной составляющей напряже­ния необходимо выполнять следующие условия:

сумма постоянного напряжения и амплитуды переменной составляющей не должна превышать допустимого напряжения, которое указывается в документе на поставку:

где U — амплитуда переменного напряжения, В; Р_{р доп} — допустимая реактивная мощ­ность, вар; f —частота, Гц; С—емкость, пФ.

Для конденсаторов с номинальным напряжением 10 кВ и менее значения номи­нальных напряжений устанавливаются согласно ГОСТ 9665-77 из ряда: 1; 1.6; 2,5; 3.2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350; 400: 450; 500; 630; 800; 1000: 1600;2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000 В.

Под номинальным током конденсатора понимают наибольший ток, при котором конденсатор может работать в заданных условиях в течение гарантированного срока службы. Этот параметр наиболее характерен для вакуумных конденсаторов. Он введен для правильного выбора тепловых режимов конденсатора при больших значениях электрического тока.

Значение номинального тока зависит от конструкции конденсатора, использу­емых в нем материалов, частоты переменного или пульсирующего напряжения и температуры окружающей среды. При прохождении через конденсатор импульсов импульсный ток /и может превышать номинальный ток I _н в корень из Q раз: ,где Q – скважность импульсов.

Значение номинального тока вакуумных конденсаторов устанавливается соглас­но ГОСТ 14611-78 из ряда: 5; 7,5; 10; 12; 15; 20; 25: 30; 35; 40; 50; 60; 75: 100; 125; 150; 200; 250; 300; 400; 500; 600; 750; 1000 А.

2.3. Тангенс угла диэлектрических потерь

где φ — угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи конденсатор — источник тока; δ — угол потерь, дополняющий до 90 º угол сдвига фаз φ.

Конкретное значение тангенса угла потерь зависит от типа диэлектрика и его качества, а также от температуры окружающей среды и частоты переменного тока, на которой он определяется (измеряется). Как правило, tg δ имеет минимум в об­ласти комнатных температур. С ростом частоты значение tg δ увеличивается.

С течением времени (длительное хранение и наработка), а также эксплуатации во влажной среде значение tg δ растет и может увеличиться в несколько раз.

2.4. Сопротивление изоляции. Ток утечки

Электрическое сопротивление конденсатора постоянному току определенного напряжения называется сопротивлением изоляции конденсатора. Этот параметр характерен для конденсаторов с органическим и неорганическим диэлектриком. Измерение сопротивления изоляции производят при напряжениях 10, 100 и 500 В соответственно для конденсаторов с номинальным напряжением до 100, 100 — 500 и свыше 500 В.

Сопротивление изоляции характеризует качество диэлектрика и качество изгото­вления конденсаторов и зависит от типа диэлектрика. Сопротивление изоляции для конденсаторов большой емкости обратно пропорционально площади обкладок, т. е. емкости конденсаторов. Поэтому для конденсаторов емкостью более 0,33 мкф при­нято вместо сопротивления изоляции приводить значение постоянной времени, выражаемое в секундах, равное произведению сопротивления изоляции на значение номинальной емкости.

Сопротивление изоляции или постоянная времени зависит от типа диэлектрика, конструкции конденсатора и условий его эксплуатации. При длительном хранении и наработке сопротивление изоляции может уменьшиться на один—три порядка.

Сопротивление изоляции конденсатора измеряют между его выводами.

Для конденсаторов, допускающих касание своим корпусом шасси или токоведущих шин, вводится понятие сопротивление изоляции между корпусом и соединенными вместе выводами.

Ток проводимости, проходящий через конденсатор при постоянном напряжении на его обкладках в установившемся режиме, называют током утечки.

Ток утечки обусловлен наличием в диэлектрике свободных носителей заряда и характеризует качество диэлектрика конденсатора. Этот параметр характерен для вакуумных и оксидных конденсаторов.

Ток утечки в большой степени зависит от значения приложенного напряжения и времени, в течение которого оно приложено. Ток утечки измеряется через 1— 5 мин после подачи на конденсатор номинального напряжения. При подаче на конденсатор напряжения происходит «тренировка», т. е. постепенное уменьшение тока утечки. При длительном хранении и длительной работе ток утечки конден­саторов растет.

2.5. Температурный коэффициент емкости

Величина, применяемая для характеристики конденсаторов с линейной зависи­мостью емкости от температуры и равная относительному изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина), называется температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

По значению ТКЕ керамические и некоторые другие конденсаторы разделяются на группы, приведенные в табл. 2.2.

Для конденсаторов с нелинейной зависимостью емкости от температуры, а так­же с большими уходами емкости от температуры обычно приводится относительное изменение емкости в рабочем интервале температур.

Керамические конденсаторы типа 2 по допускаемому изменению емкости в ра­бочем интервале температур делятся на следующие группы (табл. 2.3).

Слюдяные конденсаторы по величине ТКЕ разделяются на следующие группы (табл. 2.4).

2.6. Диэлектрическая абсорбция конденсаторов

Явление, обусловленное замедленными процессами поляризации в диэлектрике, приводящее к появлению напряжения на электродах после кратковременного раз­ряда конденсатора, называется диэлектрической абсорбцией.

Напряжение, появляющееся на обкладках конденсатора, после его кратковре­менной разрядки существенно зависит от длительности времени зарядки конден­сатора, времени, в течение которого он был закорочен, и времени, прошедшего после этого. Количественное значение абсорбции принято характеризовать коэффициентом абсорбции (К _а ), который определяется в стандартных условиях. Примерный график зависимости напряжения на конденсаторе от времени при измерении коэффициента абсорбции приведен на рис. 2.1.

Численные значения коэффициента абсорбции для некоторых типов конден­саторов приведены в табл. 2.5.

Коэффициент абсорбции конденсаторов зависит от температуры окружающей среды и повышается с ее ростом.

Таблица 2.5. Значение ко­эффициентов абсорбции
Группа конденсаторов	К а , %
Полистирольные	0,03—0,1
Фторопластовые металлизи­рованные	0,03—0,15
Комбинирован­ные	0,4—1,0
Полиэтиленте-рефталатные	0,2—0,8
Лакопленочные	0,7—1,3
Бумажные	0,6—1,0
Металлобумажные	2,0—5,0
Слюдяные	1,5—5,0
Керамические	5—15
Оксидные	1—5,5

2.7. Полное сопротивление конденсаторов.

Эквивалентное последовательное сопротивление

Под полным сопротивлением конденсатора понимают сопротивление конден­сатора переменному синусоидальному току определенной частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с емкостью активного сопротивления и индуктивности.

Значения активного сопротивления и индуктивности зависят от характеристик используемых материалов и конструктивного исполнения конденсатора.

Самая низкая частота, при которой полное сопротивление конденсатора будет минимальным и чисто активным, называется резонансной частотой конденсатора

На частоте ниже резонансной полное сопротивление конденсатора носит емкост­ный характер, на частотах выше резонансной—индуктивный (рис. 2.2).

Ориентировочные значения резонансных частот и собственных индуктивностей различных типов конденсаторов представлены в табл. 2.6.

2.8. Реактивная мощность

Произведение напряжения U определенной частоты f , приложенного к конден­сатору, на ток I, проходящий через него, и на синус угла сдвига фаз φ между нимиопределяет значение реактивной мощности конденсатора. В большинстве случаев угол сдвига фаз близок к 90°, поэтому sin φ ≈ 1 и .

Понятие реактивной мощности введено для высокочастотных и особенно высо­ковольтных конденсаторов и используются при установлении допустимых элект­рических режимов эксплуатации. При этом в области низких частот ограничения определяются допустимой амплитудой напряжения переменного тока, а на высоких частотах — допустимой реактивной мощностью конденсатора. Таким образом, реак­тивная мощность характеризует нагрузочную способность конденсатора при нали­чии на нем больших напряжений высокой частоты.

При умножении реактивной мощности на коэффициент tg δ / (1+tg² δ) получим активную мощность, обусловленную наличием потерь в конденсаторе и вызыва­ющую его нагрев.

2.9. Вносимое затухание и сопротивление связи

Вносимое затухание и сопротивление связи — это величины, характеризующие способность помехоподавляющих конденсаторов и фильтров подавлять помехи переменного тока заданной частоты.

Вносимое затухание А пропорционально логарифму отношения напряжении, измеренных на нагрузке электрической цепи до (U ₁) и после (U ₂) включения конден­сатора или фильтра в эту цепь: A = 20 lg(U ₁ /U ₂).

Вносимое затухание и сопротивление связи зависят от частоты переменного тока, емкости, индуктивности, добротности и конструкции конденсаторов и фильтров, а также от выходного сопротивления генератора и сопротивления нагрузки.

2.10. Специфические электрические параметры ихарактеристики

подстроечных и вакуумных конденсаторов

Подстроечные и переменные конденсаторы наряду с основными параметрами, приведенными выше, имеют дополнительные параметры, учитывающие особенности их функционального назначения и конструктивное исполнение.

Вместо параметра номинальная емкость используются параметры максимальная и минимальная емкости. Это максимальная и минимальная емкость конденсатора, которая может быть получена перемещением его подвижной системы.

Специфичными параметрами подстроечных и переменных конденсаторов явля­ются момент вращения, скорость перестройки емкости и износоустойчивость.

Момент вращения—минимальный момент привода, необходимый для непре­рывного перемещения подвижной системы конденсатора.

Скорость перестройки емкости влияет на надежность и прочность конденсатора. В нормативной документации ограничивается скорость перестройки емкости для керамических конденсаторов—не более 10—15 циклов в минуту, для вакуумных 5—30. Под циклом перестройки емкости понимается перестройка емкости от минимальной до максимальной и обратно. Количество циклов перестройки емкости определяет износоустойчивость конденсатора.

Под износоустойчивостью понимают способность конденсатора сохранить свои параметры (противостоять изнашиванию) при многократных вращениях подвижной системы.

Износоустойчивость конденсаторов и скорость перестройки емкости зависят от конструкции конденсаторов, свойств примененных материалов и технологии их изготовления.

Для вакуумных конденсаторов наиболее важным параметром является элект­рическая прочность. Этот термин не следует отождествлять с определением элект­рической прочности диэлектрика, принятым в теории диэлектриков.

Для конденсаторов термин электрическая прочность следует понимать условно йк способность конденсаторов выдерживать определенное время (обычно неболь­шое, до нескольких минут) приложенное к нему напряжение выше номинального без изменения его эксплуатационных характеристик и пробоя диэлектрика.

Раздел третий

Применение и эксплуатация конденсаторов

3.1. Влияние внешних воздействующих факторов

Эксплуатационная надежность конденсаторов в аппаратуре во многом опреде­ляется воздействием факторов, которые по своей природе можно разделить на следующие группы:

ü электрические нагрузки (напряжение, ток, реактивная мощность, частота пере­менного тока);

ü климатические нагрузки (температура и влажность окружающей среды, атмос­ферное давление, биологические факторы);

ü механические нагрузки (вибрация, удары, постоянно действующее ускорение, акустические шумы);

ü радиационные воздействия (поток нейтронов, гамма-лучи, солнечная радиация).

Под воздействием указанных факторов происходит изменение параметров кон­денсаторов. В зависимости от вида и длительности нагрузки уходы параметров складываются из обратимого (временного) и необратимого изменений. Обратимые изменения параметров вызываются кратковременным воздействием нагрузок, не приводящих к изменению свойств конструкционных материалов и проявляющихся лишь в условиях воздействия нагрузок. После снятия нагрузки параметры конден­саторов принимают значения, близкие к начальным.

Климатические нагрузки. Температура и влажность окружающей среды являются важнейшими факторами, влияющими на надежность, долговечность и сохраняемость конденсаторов. Длительное воздействие повышенной температуры вызывает старение диэлектрика, в результате чего параметры конденсаторов претерпевают необратимые изменения. Предельно допустимая температура для конденсаторов ограничивается заданием максимальной положительной температуры окружающей среды и значением электрической нагрузки. Применение конденсаторов в условиях, превышающих эти ограничения, недопустимо, так как может вызвать резкое ухудше­ние параметров (снижение сопротивления изоляции и электрической прочности, уменьшение емкости, увеличение тока утечки и тангенса угла потерь, нарушение герметичности спаев, ухудшение изоляционных и защитных свойств органических покрытий и заливочных материалов), а в ряде случаев может привести к полной потере работоспособности конденсаторов.

Наряду с внешней температурой на конденсаторы в составе аппаратуры может дополнительно воздействовать тепло, выделяемое другими сильно нагревающимися при работе аппаратуры изделиями (мощные генераторные и модуляторные лампы, резисторы и т. п.).

Тепловое воздействие на конденсаторы может быть как непрерывным, так и периодически изменяющимся. Резкое изменение температуры может вызвать меха­нические напряжения в разнородных материалах, нарушение герметичности паяных соединений, появление трещин, зазоров в деталях конденсаторов.

Для многих типов конденсаторов в условиях низких температур харак­терно снижение емкости, особенно у оксидных и керамических конденсаторов типа 2 (рис. 3.1, 3.2). У оксидных конденсаторов при низких температурах увели­чивается тангенс угла потерь (рис. 3.3). Все типы оксидных конденсаторов с жид­ким или пастообразным электролитом при температурах ниже 60" С практически неработоспособны из-за резкого снижения емкости и увеличения тангенса угла потерь.

При эксплуатации конденсаторов в условиях сверхнизких температур (до — 180 ºС) за счет повышения хрупкости ряда конструкционных материалов возмож­но ухудшение механической прочности конденсаторов.

С ростом температуры окружающей среды напряжение на конденсаторе должно снижаться. Типичная зависимость номинального напряжения от температуры приве­дена на рис. 3.4.

В условиях повышенной влажности на электрические характеристики конден­саторов влияет как пленка воды. образующаяся на поверхности (процесс адсорбции), так я внутреннее поглощение влаги диэлектриком (процесс сорбции). Для герметизи­рованных конденсаторов характерны только адсорбционные процессы. У конден­саторов, не имеющих вакуум-плотной герметизации, возможно также внутреннее проникновение влаги.

Длительное воздействие повышенной влажности наиболее сильно сказывается на изменении параметров негерметизированных конденсаторов. Наименьшую влаго­стойкость имеют негерметизированные бумажные и металлобумажные, а также слюдяные спрессованные конденсаторы. Проникновение влаги внутрь конденсато­ров снижает сопротивление изоляции (особенно при повышенных температурах) и электрическую прочность, увеличивает тангенс угла потерь и емкость. Особенно опасно для негерметизированных конденсаторов одновременное длительное воздей­ствие повышенной влажности и электрической нагрузки. При этом у керамических конденсаторов с открытым междуэлектродным зазором возможно снижение со­противления изоляции или электрический пробой за счет миграции ионов металла обкладок (особенно серебра) по торцу конденсатора, а у металлобумажных конден­саторов — разрушение обкладок за счет процессов электролиза. После пребывания конденсаторов в нормальных климатических условиях (особенно после подсушки) адсорбированная влага удаляется, а герметизированные конденсаторы практически полностью восстанавливают свои параметры.

Кроме непосредственного влияния на электрические характеристики конден­саторов влага вызывает коррозию металлических деталей и контактной арматуры конденсаторов, облегчает условия развития различных плесневых грибков. Появле­ние плесени может вызвать обесцвечивание и разрушение защитных покрытии и мар­кировки, ухудшение изоляционных свойств органических материалов, способствует образованию слоя влаги на конденсаторах.

В морских районах вредное влияние влаги усиливается за счет присутствия в атмосфере солей, входящих в состав морской воды, что увеличивает электропрово­димость увлажненных поверхностей, изоляционных материалов, облегчает условия электролиза и коррозии металлов.

В промышленных районах конденсируемая на поверхности конденсаторов влага может содержать растворы сернистых и других агрессивных соединений, усилива­ющих вредное действие влаги.

При снижении внешней температуры внутри блоков аппаратуры могут созда­ваться условия, благоприятные для образования инея и выпадения росы. Воздействие инея и росы практически не сказывается на работоспособности низковольтных конденсаторов. Однако наличие влаги на поверхности конденсаторов при выпадении росы может увеличить поверхностную проводимость и привести к снижению со­противления изоляции, а у высоковольтных конденсаторов — к снижению электриче­ской прочности. После испарения росы электрические характеристики конденсаторов восстанавливаются до исходных значений. Время восстановления зависит от габа­ритных размеров, конструкции, теплоемкости и других характеристик изделия. Пол­ностью сохраняют работоспособность при воздействии инея и росы конденсаторы с оксидным диэлектриком.

Конденсаторы не подвергаются непосредственному воздействию солнечной ра­диации, атмосферных осадков, песка и пыли. Однако пыль и песок способствуют коррозии металлических деталей и развитию плесени, а попадая в зазоры между трущимися частями подстроечных конденсаторов, ускоряют их износ.

Повышенное до 3 атм давление не оказывает существенного влияния на работу конденсаторов. В условиях низкого давления снижается электрическая прочность воздушного промежутка и создаются условия для пробоев и перекрытия (рис. 3.5). Для избежания пробоев и перекрытия при пониженном атмосферном давлении необходимо снижать напряжение на конденсаторе. Кроме того, при пониженном атмосферном давлении ухудшается теплоотвод от конденсатора, а в условиях глубо­кого вакуума (давление менее 1,3·10 ^─6 Па) возможна сублимация (испарение) твер­дых материалов. В условиях низкого давления у негерметичных оксидных конден­саторов с жидким или пастообразным электролитом за счет испарения легколетучих компонентов происходит интенсивная потеря электролита, что резко снижает срок службы этих конденсаторов. Ухудшение механической прочности и эластичности органических материалов узла уплотнения за счет сублимации увеличивает скорость потери электролита.

В связи с тем, что в НТД на конденсаторы могут встретиться значения давления в разных единицах измерения, ниже приведены соотношения наиболее часто встреча­ющихся значении давления (табл. 3.1).

Механические нагрузки. При эксплуатации и транспортировании аппаратуры конденсаторы подвергаются воздействию различного вида механических нагрузок:

вибрации, одиночным и многократным ударам, линейного ускорения, акустическим нагрузкам. Наиболее опасными являются вибрационные и ударные нагрузки.

Воздействие механических нагрузок, превышающих допустимые нормы, может вызвать обрывы выводов и внутренних соединении, увеличение тока утечки у оксидных конденсаторов, появление трещин в керамических корпусах и изоляторах, сниже­ние электрической прочности, изменение установленной емкости у подстроечных конденсаторов. Высокие уровни разрушающих усилий могут возникать при воздей­ствии ударных нагрузок, если составляющие спектра ударного импульса совпадают с собственными резонансными частотами конденсатора.

Воздействие механических нагрузок на вакуумные конденсаторы может вы­зывать изменение емкости, синхронное с частотой вибрации и моментом воздейст­вия ударных нагрузок. У оксидных конденсаторов, особенно у танталовых с жид­ким электролитом, во время воздействия вибрационных и ударных нагрузок воз­можны кратковременные броски тока утечки из-за локальных разрушений оксидного слоя.

Радиационные воздействия. Развитие атомной энергетики и освоение космоса выдвигают требование по устойчивости комплектующих элементов, в том числе конденсаторов, к воздействию ионизирующих излучений, глубокого вакуума и свер­хнизких температур. Воздействие ионизирующих излучений может как непосредст­венно вызвать изменение электрических и эксплуатационных характеристик конден­саторов, так и способность ускоренному старению конструкционных материалов при последующем воздействии других факторов. Характер и скорость изменения параметров зависят от дозы, интенсивности и энергетического спектра излучения и в значи­тельной мере определяются видом рабочего диэлектрика и конструкцией конден­сатора.

Процессы, протекающие в конденсаторах в условиях воздействия ионизиру­ющих излучений, коренным образом отличаются от процессов старения в обычных условиях эксплуатации. В результате воздействия ионизирующих излучений также могут возникать явления, приводящие к обратимым или остаточным изменениям их электрических параметров.

Обратимые изменения связаны с процессами ионизации диэлектрических мате­риалов и воздуха и сопровождаются в основном резким снижением сопротивления изоляции и увеличением тока утечки вследствие образования поверхностных и внут­ренних объемно-распределенных зарядов.

Увеличивается также тангенс угла потерь, особенно на низких частотах. После прекращения облучения сопротивление изоляции (ток утечки оксидных конденсато­ров) в большинстве случаев восстанавливается. Время восстановления зависит от типа диэлектрика, дозы и мощности излучения.

Остаточные изменения параметров связаны в основном с устойчивыми наруше­ниями структуры рабочего диэлектрика, а также защитных и заливочных матери­алов. При воздействии ионизирующих излучений наиболее сильно изменяются стру­ктура и механические свойства полимерных материалов, применяемых в пленочных комбинированных конденсаторах. Структурные изменения сопровождаются, как правило, интенсивным газовыделением. Сравнительно быстрым изменениям подвер­гаются пропитывающие составы и целлюлоза, являющаяся основным компонентом конденсаторной бумаги. Поэтому конденсаторы с органическим диэлектриком зна­чительно более чувствительны к воздействиям излучения, чем конденсаторы с неор­ганическим диэлектриком. Наиболее устойчивы к воздействию ионизирующих излу­чений керамические конденсаторы типа 1.

Радиационные нарушения структуры материалов могут приводить и к ухудше­нию основных эксплуатационных характеристик конденсаторов — срока службы, механической и электрической прочности, влагостойкости.

Электрические нагрузки. Наибольшие необратимые изменения параметров кон­денсатора вызываются длительным воздействием электрической нагрузки, при кото­рой происходят процессы старения, ухудшающие электрическую прочность. Это необходимо учитывать, выбирая значение рабочего напряжения, особенно при дли­тельной эксплуатации конденсаторов.

При постоянном напряжении основной причиной старения являются электрохи­мические процессы, возникающие в диэлектрике под действием постоянного поля и усиливающиеся с повышением температуры и влажности окружающей среды. Степень их влияния на параметры конденсаторов определяется видом диэлектрика и конструктивным исполнением конденсатора. При этом суммарное изменение пара­метров конденсаторов не превышает значений, гарантируемых на период минималь­ной наработки, приведенных в справочных данных.

При переменном напряжении и импульсных режимах основной причиной ста­рения являются ионизационные процессы, возникающие внутри диэлектрика или у краев обкладок, преимущественно в местах газовых включений. Данное явление характерно преимущественно для высоковольтных конденсаторов. Ионизация раз­рушает органические диэлектрики в результате бомбардировки их возникающими ионами и электронами, а также за счет агрессивного действия на диэлектрик образовавшихся озона и окислов азота. Для керамических материалов ионизация в закрытой поре вызывает сильный местный разогрев, в результате которого появляются механические напряжения, сопровождающиеся растрескиванием кера­мики и пробоем по трещине.

Несмотря на то, что допускаемое значение напряженности электрического поля в диэлектрике конденсатора при его испытаниях выбирается с некоторым запасом, эксплуатация под электрической нагрузкой, превышающей номинальное напряжение, резко снижает надежность конденсаторов.

Превышение допустимого значения переменной составляющей напряжения мо­жет вызвать нарушение теплового равновесия в конденсаторе, приводящего к термическому разрушению диэлектрика. Развитие этого явления обусловлено тем, что активная проводимость диэлектрика возрастает с повышением температуры.

Наиболее устойчивы к воздействию электрических эксплуатационных нагрузок и стабильны защищенные керамические конденсаторы типа 1. Среди оксидных конден­саторов наиболее стабильны оксидно-полупроводниковые герметизированные конден­саторы. Низкая стабильность электролитических оксидных конденсаторов объясняется наличием в них жидкого или пастообразного электролита, сопротивление которого' в большей степени зависит от температуры окружающей среды, чем у оксидно-полупроводниковых конденсаторов. Длительное воздействие электрической нагрузки, особенно при повышенных температурах, вызывает испарение летучих фракций элек­тролита, что еще больше повышает сопротивление электролита и резко ухудшает температурную и частотную зависимость емкости и тангенса угла потерь. Наиболее интенсивно этот процесс протекает у особо морозостойких алюминиевых конден­саторов малых габаритов с электролитом на основе диметилформамида.

При длительной эксплуатации под электрической нагрузкой некоторых типов танталовых электролитических конденсаторов возможно снижение емкости за счет пассивации катода, а также возникновение отказов, связанных с разрушением сереб­ряного корпуса и вытеканием вследствие этого электролита. Повышение амплитуды переменной составляющей напряжения ускоряет этот процесс. Новые типы конден­саторов с танталовым корпусом лишены этого недостатка, имеют повышенную стабильность параметров и более высокую долговечность.

3.2. Частотные свойства конденсаторов и особенности

работы в импульсных режимах

При выборе конденсаторов для работы в цепях переменного или пульсирующего тока необходимо учитывать их частотные свойства, определяемые рядом конструк­тивных факторов: типом диэлектрика, индуктивностью и эквивалентным последова­тельным сопротивлением, конструкцией и др.

Работоспособность конденсаторов при переменном напряжении ограничивают в основном следующие факторы:

ü тепловыделение, пропорциональное средней мощности, которое может резко возрастать при превышении допустимых режимов эксплуатации и создавать условия для теплового пробоя конденсатора;

ü напряженность электрического поля, воздействующего на диэлектрик конден­сатора и вызывающего его электрическое старение;

ü ток, протекающий через конденсатор, при большой плотности которого возмож­ны локальный перегрев и разрушение контактных узлов, выгорание металлизирован­ных обкладок и т. д.;

ü температура окружающей среды.

Наилучшими частотными свойствами обладают керамические конденсаторы типа 1, слюдяные и конденсаторы из неполярных пленок (полистирольные, поли­пропиленовые и др.). Ориентировочные диапазоны рабочих частот для различных групп конденсаторов приведены на рис. 3.6.

В связи с тем, что с повышением частоты растут потери энергии в конденсаторе, для сохранения теплового баланса в конденсаторе и иЬключения возможности воз­никновения пробоев с повышением частоты необходимо снижать амплитуду пере­менной составляющей. Характерная зависимость допустимой амплитуды перемен­ной составляющей напряжения на конденсаторе от частоты приведена на рис. 3.7. У керамических и слюдяных конденсаторов допустимое значение переменной состав­ляющей напряжения определяется исходя из допустимой реактивной мощности.

У ряда групп конденсаторов с повышением частоты может заметно снижаться эффективная емкость. Уменьшение емкости с ростом частоты происходит как за счет снижения диэлектрической проницаемости диэлектрика, так и за счет увеличения эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС). Влияние ЭПС на значение эффективной емкости определяется зависимостью С_эф= 1/(1 + ω ² С r ²). Обусловлено ЭПС потерями в конденсаторе — в диэлектрике, металлических частях, переходных контактных сопротивлениях, электролите (у оксидных конденсаторов). В обычных конденсаторах ЭПС достаточно мало (доли ома) и снижение емкости с частотой можно заметить лишь в области высоких частот. Наиболее сильная зависимость емкости от частоты имеет место у оксидных конденсаторов, особенно с жидким электролитом, из-за большого удельного сопротивления электролита и его зависи­мости от частоты. Для этих конденсаторов снижение емкости с частотой наблюдает­ся, начиная с сотен герц. Характер зависимости емкости от частоты, обусловленный наличием ЭПС, показан на рис. 3.8.

В импульсных режимах могут быть использованы как конденсаторы, специально сконструированные для этих целей, так и конденсаторы общего применения. Однако и в том. и в другом случаях при выборе конденсаторов должны быть учтены особенности работы его при импульсных нагрузках. Учет особенностей должен производиться с двух сторон: способен ли конденсатор данного типа обеспечить формирование или передачу импульса; не является ли такой режим разрушающим для конденсатора.

При оценке возможности работы конденсаторов в импульсном режиме необ­ходимо учитывать, что при малых длительностях формируемых импульсов даже малая индуктивность конденсатора представляет большое индуктивное сопротивле­ние, что сказывается на форме импульса. Значения индуктивности некоторых типов конденсаторов приведены в табл. 3.2.

Существенное влияние на форму импульса, а также на коэффициент полезного действия устройства, в котором применен конденсатор, могут оказывать потери энергии в диэлектрике и арматуре конденсатора. Поэтому при выборе конденсаторов для импульсных режимов следует учитывать их температурно-частотные зависимо­сти емкости, тангенса угла потерь и импеданса. Для решения вопроса о том, не является ли данный импульсный режим разрушающим для конденсаторов, необ­ходимо учитывать явления, связанные с нагревом конденсатора за счет импульсных токов, с ионизационным старением диэлектрика и пр. Указанные явления могут привести к нарушению электрической прочности конденсатора и выходу его из строя. Поэтому допустимая импульсная нагрузка на конденсаторе определяется исходя из следующих параметров импульсного режима: значений положительных и отрица­тельных пиков напряжения и тока, размаха переменного напряжения на конден­саторе, длительности нарастания и спада напряжения, периода и частоты следования импульсов, наличия постоянной составляющей.

Выбор конкретных допустимых импульсных нагрузок конденсаторов произво­дится по номограммам, приведенным в НТД, исходя из параметров импульсного режима.

При применении полярных конденсаторов с оксидным диэлектриком в импульс­ных режимах и при пульсирующем напряжении необходимо учитывать, что постоян­ная составляющая напряжения должна иметь значение, исключающее возможность появления на конденсаторе напряжения обратной полярности, а сумма постоянного и амплитуды переменного или импульсного напряжения не должна превышать номинального напряжения.

3.3. Указания по выбору и правильному применению конденсаторов

Эксплуатационная надежность конденсаторов во многом определяется правиль­ным выбором типов конденсаторов при проектировании аппаратуры и использова­нии их в режимах, не превышающих допустимые.

Для правильного выбора конденсаторов необходимо на основе анализа требова­ний к аппаратуре определить:

ü значения номинальных параметров и допустимые их изменения в процессе эксплуатации (емкость, напряжение, сопротивление изоляции и т. д.);

ü допустимые режимы и рабочие электрические нагрузки (диапазон рабочих ча­стот, амплитуда и частота переменной составляющей напряжения, реактивная мощ­ность, параметры импульсного режима и др.);

ü эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, значения механичес­ких нагрузок и относительной влажности окружающей среды и др.);

ü показатели надежности, долговечности и сохраняемости конденсаторов;

ü конструкцию конденсаторов, способы монтажа, габаритные размеры и массу.

В целях повышения надежности и долговечности конденсаторов во всех возмож­ных случаях следует использовать их при менее жестких нагрузках и в облегченных режимах по сравнению с допустимыми.

Указания по монтажу и креплению конденсаторов. Применяемые способы мон­тажа и крепления конденсаторов должны обеспечивать необходимую механическую прочность, надежный электрический контакт и исключение резонансных явлений во время воздействия вибрационных нагрузок.

В зависимости от конструкции крепление конденсаторов к шасси, панелям и платам аппаратуры производится за крепежные устройства (фланцы, резьбовые соединения), с помощью скоб, хомутов, заклепок, приклейкой, заливкой и пайкой за выводы. Крепежные приспособления не должны повреждать корпус и защитные покрытия конденсаторов. Устройства для крепления не должны ухудшать условий отвода тепла от конденсаторов. Не разрешается использовать лепестковые выводы конденсаторов для припайки к ним других деталей.

Крепления вакуумных конденсаторов, являющиеся одновременно контактны­ми устройствами, должны выполняться из материалов с высокой теплопровод­ностью и обеспечивать хороший тепловой и электрический контакт с выводами конденсаторов. Поверхности креплений, сопрягаемые с выводами конденсаторов, должны быть посеребрены. Крепить конденсаторы при установке в аппаратуру следует без перекосов, так как наличие последних создает механические напряжения в баллоне и может привести к потере герметичности и выходу конденсатора из строя. Выводы наружных электродов конденсаторов следует подсоединять к низкопотенциальиой точке схемы или заземлять. У конденсаторов переменной ем­кости рекомендуется заземлять вывод подвижного электрода. При сопряжении регулировочного винта конденсатора переменной емкости с выводом следует об­ращать внимание на обеспечение соосности указанных элементов или предусматри­вать гибкое их соединение.

Контактирование выводов конденсаторов с элементами схемы производится обычно пайкой или сваркой. Пайку следует производить бескислотными флюсами, при этом не должно происходить опасного перегрева выводных узлов конден­сатора. Допускается пайка выводов на расстояниях от корпуса, меньших, чем указано в НТД, при защите контактного узла от перегрева и повреждений с помо­щью термоэкранов и теплоотводов, а также одноразовый изгиб проволочных и лепестковых выводов конденсаторов, при условии защиты контактного узла от повреждений в момент изгиба. Радиус изгиба выводов должен быть не менее полуторного значения диаметра проволочного вывода или полуторной толщины ленточного вывода.

При монтаже неполярных конденсаторов с оксидным диэлектриком необходи­мо обеспечить изоляцию их корпусов от других элементов схемы, шасси и друг от друга.

При плотном монтаже конденсаторов для обеспечения изоляции корпусов до­пускается одевать на них изолирующие трубки. При этом изолирующие трубки (кольца, прокладки) не должны нарушать покрытия конденсаторов, ухудшать электрические характеристики и вызывать перегрев конденсаторов сверх допустимой нормы.

Допускается вертикальная установка малогабаритных конденсаторов на печат­ных платах (рис. 3.9). При этом оксидные конденсаторы с разнонаправленными выводами устанавливаются на плату отрицательным выводом вниз. При толщине печатной платы не менее 2,5—3 мм возможна установка конденсаторов на нее без зазора. В случае воздействия механических нагрузок, при вертикальном монтаже, после пайки конденсаторы должны заливаться компаундом на высоту не менее 3. мм от нижнего основания конденсатора.

Особую осторожность при монтаже следует соблюдать при установке конден­саторов в микросхемы, микросборки и на малогабаритные печатные платы.

Для применения в составе гибридных микросхем и для поверхностного монтажа на печатные платы предназначены специальные типы безвыводных конденсаторов (К10-17, К10-42, К10-43, К10-47, КЮ-50, К10-56, К10-57, К10-60. К15-20, К53-15А, К53-37, КТ4-27). Для работы совместно с микросхемами и микросборками могут быть использованы также другие типы конденсаторов, соизмеримые с ними по габаритным размерам.

Монтаж конденсаторов безвыводного типа производится пайкой к плате за контактные площадки или с помощью проволочных выводов диаметром не более 0,15 мм. В последнем случае конденсаторы должны приклеиваться к плате или заливаться эпоксидным компаундом. Перед пайкой безвыводные конденсаторы сле­дует нагревать. При монтаже на плате распайкой за контактные поверхности необ­ходимо, чтобы плата была жесткой и не коробилась в процессе сборки и экс­плуатации. Расстояние между контактными площадками на плате должно быть таким, чтобы нижние поверхности конденсатора ложились на контактные площадки платы. При установке конденсаторов на плату не допускаются перекосы. Для пайки следует использовать паяльник мощностью не более 25 Вт. Время пайки не должно превышать 4 с.

В случае заливки смонтированных микросхем и плат с безвыводными кон­денсаторами эпоксидным компаундом и при опрессовке пластмассой конденса­торы должны защищаться от воздействия механических напряжений буферны­ми эластичными покрытиями (например, компаундами КЛТ-30, КТ-102, «Эластосил» и др.).

Для автоматизированной сборки и монтажа РЭА используются два вида конден­саторов: с разнонаправленными или однонаправленными выводами, монтируемые в отверстия печатных плат; безвыводные плоские или цилиндрические, монтируемые на контактные площадки печатных плат или на основание микросборок. Сборка аппаратуры с помощью автоматов предъявляет особые требования к изделиям электронной техники. Они должны иметь строго определенные габаритные и устано­вочные размеры, допускать групповую пайку, промывку и защиту от внешних воздействующих факторов.

При установке подстроечных конденсаторов на металлическую плату или шасси роторную обкладку, связанную с регулировочным винтом, следует заземлить, если это возможно, или соединить с такой точкой схемы, чтобы было исключено влияние паразитной емкости при регулировке.

Клеи, компаунды, лаки и другие материалы, используемые для приклеива­ния, заливки и дополнительной защиты конденсаторов от влаги, должны обес­печивать хорошую теплопроводность, адгезию, высокую электрическую прочность и не должны нарушать защитные покрытия конденсаторов и ухудшать их харак­теристики.

Не допускается погружение подстроечных конденсаторов в моечные составы и покрытие их защитными компаундами, лаками и другими материалами без дополнительной защиты от попадания указанных составов и материалов внутрь конденсаторов.

Зашита конденсаторов от воздействия механических нагрузок. Максимальная нагрузка на конденсатор достигается при резонансе, когда частота вибрации равна частоте собственных колебаний конденсатора. Собственная резонансная частота зависит от размеров и массы конденсатора, диаметра и рабочей длины выводов, способов крепления.

Чтобы избежать резонансных явлений, целесообразно верхнюю границу диапазона частот вибрации ограничивать значениями частоты, равными по­ловине собственной резонансной частоты конденсатора. Если за счет измене­ния длины выводов можно уйти от резонансных явлений, следует применять дополнительные способы крепления (механические держатели, приклейка, за­ливка).

Для уменьшения воздействия механических нагрузок на изменение емкости вакуумных переменных конденсаторов рекомендуется располагать их в аппаратуре таким образом, чтобы направление максимального ускорения совпадало с осью конденсаторов.

При необходимости применения конденсаторов в аппаратуре, подвергающейся воздействию механических нагрузок, превышающих допустимые по ТУ, следует применять амортизирующие устройства.

Защита конденсаторов от воздействия повышенной влажности. Наиболее эф­фективным способом защиты конденсаторов от влаги является герметизация в металлическом или керамическом корпусе. Другие способы защиты (покрытие эпоксидными компаундами, опрессовка пластмассами и др.) менее эффектив­ны. У негерметизированных конденсаторов обычно наиболее слабо защищены места выхода выводов из корпуса. Загрязнение конденсаторов при монтаже и эксплуатации, а также наличие в атмосфере сернистых и других агрессивных соединении резко усиливают влияние влаги на электрические характеристики кон­денсаторов.

При недостаточной собственной защите конденсаторов от влаги применяется дополнительная защита в составе аппаратуры: герметизация блоков или всей аппаратуры, заливка конденсаторов в блоках влагозащитными компаундами, сни­жение относительной влажности в помещениях, где находится и работает ап­паратура.

Чтобы избежать повышения влажности и выпадения росы при снижении тем­пературы внутри герметизированных блоков, необходимо помещать влагопоглощающие вещества. В аппаратуре, предназначенной для эксплуатации во влажном тропическом климате, следует применять конденсаторы всеклиматического исполне­ния. Допускается использовать конденсаторы в исполнении, пригодном для экс­плуатации только в районах с умеренным и холодным климатом в аппаратуре, эксплуатируемой во всех климатических районах суши и моря, при применении средств защиты этих конденсаторов от воздействия повышенной влажности, соля­ного тумана и поражения плесневыми грибками.

Для защиты могут быть использованы следующие средства: герметизация бло­ков или всей аппаратуры; заливка конденсаторов в блоках аппаратуры влагозащит­ными компаундами.

Указания по применению конденсаторов при повышенном давлении воздуха и пониженном атмосферном давлении. Повышенное (до 3 атм) давление практичес­ки не влияет на работоспособность конденсаторов, однако резкие и значительные изменения давления могут вызвать нарушение герметичности и уплотнения кор­пусов.

При пониженном атмосферном давлении из-за уменьшения электрической про­чности воздуха необходимо снижать напряжение на конденсаторе, не допускать близкого расположения" токоведущих частей от шасси аппаратуры и образования остроконечных наплывов припоя при монтаже, особенно у высоковольтных конден­саторов. Начиная с давления 0,013 гПа (0,01 мм рт. ст.) и ниже на конденсаторы (кроме вакуумных) может быть подано номинальное напряжение.

Во избежание перегрева за счет ухудшения теплоотвода в условиях пониженного атмосферного давления у конденсаторов с большими удельными мощностями рас­сеивания (150 Вт/м² и выше) необходимо снижать допустимую мощность рассеяния до значений, указанных в НТД.

Применение конденсаторов в условиях инея и росы.В условиях воздействия инея и росы низковольтные конденсаторы сохраняют свою работоспособность, но снижа­ют сопротивление изоляции (до сотен килоом), а конденсаторы высоковольтные в ряде случаев становятся неработоспособными из-за снижения электрической про­чности.

Влияние инея и росы на конденсаторы носит обратимый характер — после испарения росы электрические характеристики восстанавливаются до исходных зна­чений. Собственные средства защиты конденсаторов от влаги (лаки, эмали, компа­унды) не предохраняют от шунтирующего влияния росы.

Определенный положительный эффект использования конденсаторов при воз­действии инея и росы может дать уплотнение или герметизация аппаратуры с при­менением влагопоглотителей внутри блока и заливка конденсаторов (кроме вакуум­ных) в блоках влагозащитными компаундами.

Особенности эксплуатации некоторых типов конденсаторов. Полярные конден­саторы с оксидным диэлектриком могут работать только в цепях постоянного или пульсирующего тока, при этом амплитуда напряжения переменной составляющей должна быть меньше напряжения постоянного тока. Недопустимо подавать на полярные конденсаторы постоянное напряжение обратной полярности.

При эксплуатации оксидных конденсаторов при малых напряжениях необходимо учитывать наличие у них собственной электродвижущей силы (ЭДС) величиной до 1 В. У большинства образцов полярность ЭДС совпадает с полярностью конден­сатора, а у отдельных образцов наблюдается несоответствие полярности, а также изменение полярности с течением времени. Собственная ЭДС может возникать также у керамических конденсаторов типа 2 при воздействии ударных и вибрационных нагрузок и при резкой смене температур.

Допускается встречное включение оксидных конденсаторов — соединение одно­именными полюсами (плюс с плюсомили минус с минусом) двух однотипных с одинаковыми номинальными емкостями и напряжением полярных конденсато­ров, при этом общая емкость составляет 50% емкости одного конденсатора. Встречновключенные конденсаторы применяются как неполярные. Оксидно-электролитические танталовые конденсаторы типа К52-2 и К52-5 на номинальное напря­жение 15 В и выше при встречном включении допускают работу в цепях перемен­ного тока частотой до 20 Гц при амплитуде напряжения не более 3 В. Электричес­кие режимы других типов оксидных конденсаторов рассматриваются и согласовываются с изготовителем в каждом конкретном случае. Особенностью эксплуатации оксидно-электролитических конденсаторов является наличие бросков тока утечки в момент подачи на конденсатор поляризующего напряжения. При этом в первые секунды ток утечки быстро убывает и с течением времени снижается до установившегося значения (рис. 3.10). Начальное значение тока утечки зависит (при прочих равных условиях) от времени, в течение которого конденсатор бездей­ствовал (либо находился на хранении). С увеличением времени хранения и тем­пературы ток утечки возрастает, одновременно увеличивается время его восстанов­ления, особенно у алюминиевых конденсаторов. Наиболее интенсивно увеличение тока утечки происходит при длительном воздействии повышенных температур без электрической нагрузки.

При эксплуатации некоторых типов однослойных металлобумажных, м

Дата добавления: 2015-06-30; просмотров: 301; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!