Методы контроля емкости конденсаторов

Содержание

Введение

1. Конденсаторы. Основные характеристики и описание.
2. Методы контроля емкости конденсаторов.

 

Введение

Целью курсового проекта является разработка установки для контроля изменения емкости конденсаторов  в режиме рабочих температур.

При этом предусматривается обзор  основных характеристик объекта  контроля, режимов измерений контролируемых параметров, ознакомление со стандартами на методы измерений.

Работа состоит из 5 разделов.

 

 

1. Конденсаторы. Основные характеристики и описание.

Область применения конденсаторов  очень обширна. Это силовые, электротермические и высоковольтные конденсаторы, применяемые  в электроэнергетике, конденсаторы связи, автомобильные, телефонные конденсаторы. В электротехнике и радиотехнике широко применяются различные виды электролитических, слюдяных, бумажных, керамических и стеклокерамических конденсаторов. Конденсаторы являются важным элементом интегральных схем, применяемых в вычислительной технике.

Конденсатор — это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделенных диэлектриком и предназначенный для использования его емкости. Если одну обкладку конденсатора зарядить положительно, а другую отрицательно, то разноимённые заряды, притягиваясь друг к другу, будут удерживаться на обкладках. Поэтому конденсатор может быть накопителем электрической энергии.

Конденсаторы являются одним из наиболее массовых элементов электрических  цепей. Электрические характеристики, конструкция и область применения зависят от типа диэлектрика между  его обкладками. По виду диэлектрика  конденсаторы можно разделить на 5 групп:

- с газообразным диэлектриком(воздушные, газонаполненные, вакуумные);

- с жидким диэлектриком;

- с твердым неорганическим диэлектриком (керамические, стеклокерамические, слюдяные, стеклоэмалевые);

- с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные);

- с оксидным диэлектриком (электролитические, оксидно-полупроводниковые).

 

Керамические  конденсаторы. Основное их преимущество – значительная ёмкость при малых размерах и работоспособность в широком диапазоне температур. Представляет собой керамическую пластинку или трубку с обкладками из тонкого слоя металла (обычно серебра), нанесённого на поверхность керамического диэлектрика методом «вжигания». Керамика бывает высокочастотная и низкочастотная. Высокочастотная керамика характеризуется малыми диэлектрическими потерями и линейным ТКЕ (температурным коэффициентом емкости). Низкочастотная керамика обладает большой диэлектрической проницаемостью, поэтому из неё изготавливают конденсаторы большой ёмкости.

Конденсаторы  типа К-10У-5 – это разновидность керамических конденсаторов на полупроводниковой основе, которая имеет принципиальное отличие от всех других ранее известных керамических конденсаторов, заключающееся в том, что они обладают большей удельной емкостью, близкой к электролитическим конденсаторам. Конденсаторы представляют собой керамический диск из сегнетокерамического материала, который восстановлен в водороде до высокой электропроводности. После восстановления диск окисляется в воздушной среде и на его поверхности образуется тонкий диэлектрический слой исходного материала. На поверхности окисленной заготовки наносится серебряный электрод, к которому крепятся медные посеребренные выводы. Затем конденсатор покрывается компаундом. Для них характерна простая технология изготовления, применение дешевого сырь, что обеспечивает их низкую стоимость. Однако область их применения сравнительно узка. Конденсаторы этого типа могут использоваться только в цепях, где сопротивление изоляции и тангенс угла потерь не играют существенной роли.

Рис. 1. Конденсатор типа К-10У-5

Такие конденсаторы предназначены  для работы в интервале температур от -60 до +85^оС в цепях постоянного, переменного и импульсного токов.

 

Важнейший параметр конденсатора – ёмкость С. Она зависит от площади его пластин, расстояния  между ними и применяемого диэлектрика. Емкость конденсатора характеризует отношение заряда, накопленного в конденсаторе, к величине напряжения, приложенного к обкладкам.

К основным электрическим параметрам относятся: номинальное значение ёмкости; допустимое отклонение от номинального значения; номинальное (рабочее) напряжение; сопротивление изоляции или ток  утечки. Важнейшими значениями также  являются величины, характеризующие  потери в диэлектрике конденсатора – тангенс угла потерь tgδ, а также стабильность значения ёмкости при изменении температуры – ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости).

Номинальное значение ёмкости указано  на корпусе конденсатора. Допустимое отклонение ёмкости от номинального значения зависит от класса точности конденсатора: Iкл -  5%; IIкл -  10%; IIIкл  20%. Существуют и более высокие классы точности до 0,1%.

Температурный коэффициент ёмкости – это параметр, характеризующий изменение ёмкости конденсатора при изменении температуры на 1°С. ТКЕ выражают в миллионных долях от ёмкости конденсатора при комнатной температуре (20°С) на 1°С (10^-6  на 1°С).

2. Методы контроля емкости конденсаторов.

Основные методы измерения емкости  приведены в ГОСТ 28885-90. Опишем наиболее распространенные методы измерения.

Для измерения параметров конденсаторов  применяются методы вольтметра - амперметра, непосредственного измерения при  помощи микрофарадметров, сравнения (замещения), мостовой и резонансный.

 

2.1. Измерение ёмкостей методом вольтметра - амперметра

Метод вольтметра - амперметра применяют для измерения сравнительно больших ёмкостей. Питание измерительной схемы обычно производят от источника тока низкой частоты: F = 50...1000 Гц, поэтому оказывается возможным пренебречь активными потерями в конденсаторах, а также влиянием реактивных параметров измерительных приборов и паразитными связями.

Рис.2. Схемы измерения ёмкостей методом вольтметра-амперметра

Схема измерений представлена в  двух вариантах на рис. 2. Проверяемый  конденсатор С_х включается в цепь переменного тока известной частоты F, и реостатом (или потенциометром) R устанавливают требуемое по условиям испытания либо удобное для отсчёта значение тока I или напряжения U. По показаниям приборов переменного тока V и mА можно рассчитать полное сопротивление конденсатора

, (1)

где R и X = – соответственно его активная и реактивная составляющие.

Если потери малы, т. е. R << X, то измеряемая ёмкость определяется формулой

,  (2)

Схема на рис. 2 (а) даёт достаточно точные результаты при измерении больших ёмкостей, сопротивление которых X значительно меньше входного сопротивления вольтметра V. Схема на рис. 2 (б) применяется для измерения меньших ёмкостей, сопротивление которых в десятки и более раз превышает сопротивление миллиамперметра mA.

 

2.2. Измерение ёмкостей методом сравнения (замещения)

Данный метод базируется на сравнении  действия, оказываемого измеряемой ёмкостью С_х и известной ёмкостью С_о на режим измерительной схемы.

Простейшая схема измерений, в  которой ёмкости С_х и С_о сравниваются по значению их сопротивления переменному току, приведена на рис. 3.

Рис. 3 Схема измерения ёмкостей

При включении конденсатора С_x потенциометром R устанавливают в цепи ток, удобный для отсчёта или контроля по миллиамперметру переменного тока mA или другому низкоомному индикатору. Затем вместо конденсатора С_x присоединяют к схеме магазин ёмкостей или образцовый (опорный) конденсатор переменной ёмкости и изменением его ёмкости С_о добиваются прежнего показания индикатора. Это будет иметь место при С_о = С_x. Погрешность измерений зависит от чувствительности индикатора и погрешности отсчёта ёмкости С_о; она может быть получена равной примерно 1% и менее.

При измерении ёмкостей свыше 5000 пФ методом сравнения схему измерений  можно питать от сети переменного  тока частотой 50 Гц. Для измерения  меньших ёмкостей необходим генератор, работающий на более высоких частотах. Во всех случаях для обеспечения  безопасности индикатора в цепь следует  включать ограничительный конденсатор (С₁) или резистор.

Метод сравнения в различных  вариантах широко применяется в  мостовых и резонансных измерителях  ёмкостей.

 

2.3. Измерительные мосты переменного тока

Для измерения параметров конденсаторов  и катушек индуктивности широко применяются уравновешенные мосты  переменного тока.

В общем случае плечи измерительного моста переменного тока (рис. 4) обладают комплексными сопротивлениями Z₁, Z₂, Z₃ и Z₄, одно из которых, например Z₄, является объектом измерений. Питание моста производится от источника переменного тока частоты F, напряжение которого подводится непосредственно или через трансформатор Тр к одной из диагоналей моста. В другую диагональ включается индикатор нуля переменного тока ИН.

Рис. 4 Схема  моста переменного тока

Так же как и в мостах постоянного тока, процесс измерения сводится к уравновешиванию моста переменного тока, которое характеризуется отсутствием разности потенциалов между вершинами а и б.

Для этого необходимо, чтобы падения  напряжения в плечах Z₁ и Z₄ (а также в плечах Z₂ и Z₃) были равны по амплитуде и совпадали по фазе. Равновесие достигается при выполнении двух условий:

1) равенство произведений модулей полных сопротивлений противоположных плеч, т. е.

Z₄Z₂ = Z₁Z₃,      (3)

2) равенство сумм фазовых углов этих же плеч, т. е.

φ4 + φ2 = φ1 + φ3 .       (4)

Если плечо моста обладает активным R и реактивным (ёмкостным или  индуктивным) X сопротивлениями, действующими последовательно, то модуль полного  сопротивления плеча

Z = (R²-Х²)^0,5,       (5)

а его фазовый угол φ определяется из формулы

tg φ = .       (6)

Для чисто активных плеч (X = 0) фазовый  угол φ = 0; для чисто ёмкостных и индуктивных плеч (R = 0) соответственно φ = -90° и φ = +90°. Если сопротивление плеча имеет смешанный (комплексный) характер, то фазовый угол |φ| < 90°.

Если сопротивления R и X представляются в параллельном соединении, то модуль полного сопротивления плеча

,       (7)

а фазовый угол φ находится из формулы

tg φ = .       (8)

В этом случае угол φ = 0 при отсутствии реактивного сопротивления (X = ∞) и φ = +-90° при отсутствии активного сопротивления (R = ∞).

Для одновременного выполнения обоих  условий равновесия приходится регулировать два параметра известных плеч моста; при этом оказывается возможным  определить два параметра исследуемого плеча, например активную и реактивную составляющие его полного сопротивления.

Условие (3) можно выполнить всегда посредством регулировки элементов плеч моста. Второе же условие (4) выполнимо лишь при определённой компоновке схемы моста, например в случае, если все четыре плеча состоят из одинаковых элементов - резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Обычно в целях упрощения схемы два плеча моста переменного тока составляются из элементов активного сопротивления - резисторов. Если эти плечи являются смежными (рис. 5), то два других плеча должны обладать реактивными сопротивлениями одинакового характера, т. е. оба должны содержать либо конденсаторы, либо катушки индуктивности. Если плечи активного сопротивления являются противоположными, то два других плеча должны обладать реактивными сопротивлениями различного характера: одно - ёмкостного, а другое - индуктивного, имеющими фазовые углы разных знаков, сумма которых может быть сделана равной нулю.

В измерительных мостах переменного  тока избегают применения катушек индуктивности (если, конечно, последние не являются объектами измерений), поскольку  они обладают заметным активным сопротивлением и восприимчивы к магнитным полям; кроме того, при наличии стального  сердечника индуктивность катушки  не является стабильной. В качестве регулируемых элементов в мостах используются переменные резисторы  и конденсаторы, а также магазины сопротивлений и ёмкостей.

Измерительные мосты, условия равновесия которых зависят от частоты, называются частотно-зависимыми; они используются для измерения частоты и в качестве фильтров. При других измерениях применяются частотно-независимые мосты, в условия равновесия которых частота не входит. Однако из-за наличия паразитных ёмкостных связей между элементами моста и по отношению к окружающим предметам мост, уравновешенный для тока основной частоты, может оказаться неуравновешенным для гармонических составляющих тока, вследствие чего показания индикатора не будут спадать до нуля, что повышает погрешность измерений. Поэтому питание мостов желательно производить от источников синусоидального напряжения; для уменьшения влияния гармоник в цепи питания или индикатора иногда ставят фильтр нижних частот.

Мосты, питаемые от сети переменного  тока, трудно использовать для измерения  малых ёмкостей и индуктивностей: на частоте 50 Гц сопротивление первых оказывается чрезмерно большим, а вторых - ничтожно малым. Поэтому  измерительные мосты, особенно универсального назначения, обычно питают от простейших ламповых или транзисторных генераторов  типа LC или RC, работающих на фиксированной  частоте, выбираемой чаще всего в  пределах 400-1000 Гц. Паразитные связи на этих частотах проявляются сравнительно слабо при условии выполнения ряда защитных мер, к числу которых относятся: 1) удаление генератора от измерительной схемы; 2) применение симметрирующего трансформатора для подключения индикатора нуля; 3) экранировка генератора, трансформаторов и проводов питания; 4) заземление вершины моста, соединённой с источником питания, исследуемым элементом и регулируемым плечом; 5) изготовление лицевой панели из металла и её заземление (с целью устранения влияния руки оператора). Высокочастотные источники питания применяются редко из-за трудности исключения на высоких частотах влияния паразитных связей.