В статье рассматриваются явление диэлектрической абсорбции в конденсаторах и метод его количественной оценки. Приведена практическая схема простого прибора для измерения коэффициента диэлектрической абсорбции.
Начну с на удивление правдивой выдержки из статьи в американском журнале за 1973 г [1]: "Технически возможно изготавливать каждый телевизор так, чтобы он работал безотказно в течение многих лет. Однако стоимость такого телевизора была бы столь велика, что фирма, задавшаяся подобной целью, была бы лишена какой-либо возможности участвовать в конкурентной борьбе на рынке". Если говорить не только о надёжности, но и об электрических параметрах, то здесь тоже многое определяется рыночной стоимостью. И часто конкуренция "удешевляет" изделия электронной техники в ущерб их качеству.
Автор, проживший много лет в Советском Союзе и привыкший к недорогим и изготовленным из высококачественных материалов и деталей изделиям, знает, как трудно бывает сегодня из большого разнообразия товаров выбрать тот, который не откажет сразу по истечении гарантийного срока.
Возникла мысль изготовить прибор для контроля и измерения одного, но очень важного параметра конденсаторов - коэффициента диэлектрической абсорбции.
Влияние на работу электронных устройств диэлектрической абсорбции конденсаторов проявляется по-разному. Затягиваются перепады импульсов, нарушается правильная работа интеграторов, неточно работают устройства выборки-хранения. При работе с высоковольтными конденсаторами это явление нужно учитывать для обеспечения электробезопасности.
Диэлектрическая абсорбция - одно из основных свойств диэлектрика. В конденсаторах она приводит к появлению напряжения на выводах конденсатора после его кратковременной разрядки. Рассмотрим эквивалентную схему конденсатора, изображённую на рис. 1 .
Рис. 1. Схема конденсатора
При кратковременном замыкании выводов полностью заряженного конденсатора скорость разрядки его основного компонента C определяется произведением ёмкости C насопротив-ление замыкателя rз. Часть ёмкости этого конденсатора Са, обусловленная поляризацией диэлектрика, за то же время разрядиться не успевает, так как её разрядка происходит через сопротивление абсорбции ra, которое во много раз больше rз.
Графически это представлено на рис. 2, где t1- интервал зарядки конденсатора; t2 - интервал его разрядки; t3 - интервал перераспределения остаточного заряда ёмкости Ca между ней и ёмкостью C. На этом интервале напряжение между выводами конденсатора нарастает до максимального значения Uост. Достигнув максимума, оно медленно спадает за счёт саморазрядки конденсатора через сопротивление утечки r.
Рис. 2.
Отношение остаточного напряжения Uост, возникающего на конденсаторе после его зарядки и кратковременной разрядки, к напряжению зарядки называют коэффициентом диэлектрической абсорбции конденсатора и выражают в процентах. Его вычисляют по формуле
Ka = Uост / Uзар · 100.
Напряжение, появляющееся между обкладками конденсатора после его кратковременной разрядки, существенно зависит от продолжительности интервалов t1, t2 и t3. Согласно п. 2.11 "Определение коэффициента диэлектрической абсорбции" стандарта [2], она должна быть равна соответственно 3 мин, 5 с и 3 мин. Кроме того, конденсатор перед проведением измерений (до начала зарядки) необходимо подвергнуть длительной начальной стабилизации с закороченными выводами.
Значение коэффициента Ка конденсаторов с различными диэлектриками находится в пределах от тысячных долей до единиц и даже десятков процентов. Наименьшие его значения характерны для фторопластовых и полистирольных конденсаторов, наибольшие - для алюминиевых оксидных конденсаторов.
Я разработал простой прибор для измерения коэффициента диэлектрической абсорбции конденсаторов, по возможности максимально удовлетворив требования, изложенные в [2]. Схема прибора показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема прибора
Одно из очень важных требований к нему содержит п. 2.11.3.5 стандарта. В нём сказано, что произведение входного сопротивления вольтметра на номинальную ёмкость конденсатора должно быть не менее чем в 100 раз больше времени, необходимого для считывания результата. Чтобы выполнить этотребо-вание, между измеряемым конденсатором Cx и измеряющим напряжение на нём мультиметром установлен повторитель напряжения с крайне высоким входным сопротивлением, собранный на ОУ MCP6231-E/P (DA2).
Максимальное напряжение питания этого ОУ - 5,5 В. Входные токи - порядка 1 пА, смещение нуля - не более 5 мВ. Интервалы допустимого входного и выходного напряжения включают в себя потенциалы линии питания и общего провода (rail-to-rail input and output). Входное сопротивление самого Оу - 1013 Ом, но входное сопротивление повторителя определяется сопротивлением резистора R2, которое может быть при желании увеличено.
Напряжение питания прибора 9 В поступает от гальванической батареи GB1 (6F22 "Крона" или её аналог).
Интегральный стабилизатор напряжения DA1 понижает его до 5 В. Светодиод HL1 гаснет при снижении напряжения батареи ниже допустимого (приблизительно +7 В).
Переключатель SA2 - ПМ-1 на пять положений. Положение 1 используют для зарядки испытуемого конденсатора Cx, положение 3 - разрядка конденсатора, в положении 5 измеряют остаточное напряжения Uост. Последовательность действий при измерении такова:
- длительное (желательно) замыкание выводов конденсатора Cx (переключатель SA2 в положении 3);
- зарядка конденсатора до напряжения +5 В в течение 3 мин (положение 1);
- его разрядка в течение 5 с (положение 3);
- выдержка 3 мин (положение 4);
- считывание показаний мультиметра (положение 5).
Следует стремиться к тому, чтобы постоянная времени разрядки конденсатора Cx во время измерения, равная произведению R2·Cx, была значительно больше продолжительности считывания результата измерения. Этим ограничена минимальная ёмкость испытуемого конденсатора (в рассматриваемом устройстве -0,05...0,1 мкФ).
К выходу прибора можно подключить любой цифровой вольтметр постоянного тока с пределом измерения 200 мВ, например, мультиметр DT830B в соответствующем режиме. Делитель напряжения R3R4 необходим для того, чтобы показание милливольтметра, равное 200 мВ, соответствовало значению Ка 2 %. При этом каждый милливольт показаний будет означать приращение коэффициента на 0,01 %.
Делитель напряжения R5R6 предназначен для компенсации смещения нуля ОУ. Её добиваются с помощью подстроечного резистора R6 по нулевым показаниям мультиметра при разомкнутом входе повторителя (переключатель SA2 в положении 3).
ОУ MCP6231-E/P можно заменить на любой другой rail-to-rail ОУ с входным током в единицы пикоампер, допускающий однополярное питание. Подойдут, например, MCP6141-I/P, MCP6S91-E/P или AD8515.
В качестве резистора R2 можно применить любой сопротивлением 330...1000 МОм, например, КИМ-0,125, КИМ-Е, С2-33НВ, Р1-32. За неимением другого автор применил резистор R2 номиналом 330 МОм, но желательно при возможности использовать 1000 МОм и более. Это позволит измерять коэффициент абсорбции конденсаторов меньшей ёмкости.
Подстроечный резистор R6 - СПО-0,5. Его ось выведена наружу для удобной регулировки. В качестве выключателя питания SA1 применён тумблер МТ1. Светодиод 5WPG4MC можно заменить любым достаточно ярким светодиодом зелёного свечения.
На печатной плате размерами 125x53 мм размещены все элементы прибора, в том числе выключатель SA1 и переключатель SA2. Для устранения наводок плата помещена в экранированный корпус размерами 135x78x35 мм, на боковой стенке которого расположены зажимы для подключения мультиметра. Корпус изготовлен из фольгированного стеклотекстолита, внутренние медные поверхности его деталей спаяны между собой и соединены с общим проводом печатной платы. Нижняя крышка должна электрически контактировать с корпусом.
Тип | Ёмкость, мкФ | Напряжение, В | Год выпуска | Диэлектрик | Ка, % |
К71-7 | 0,5 | 250 | 1986 | Полистирол | 0,005 |
К71-7 | од | 250 | 1986 | Полистирол | 0,007 |
К71-7 | 0,05 | 250 | 1986 | Полистирол | 0,008 |
К 78-2 | од | 1000 | 1989 | Полипропилен | 0,007 |
МКР2 | од | 100 | 2019 | Полипропилен | 0,008 |
MKS2 | 0,22 | 100 | 2019 | Полиэтилентерефталат | 0,041 |
К73-11 | 1 | 400 | 1987 | Полиэтилентерефталат | 0,045 |
К73-17 | од | 250 | 1992 | Полиэтилентерефталат | 0,044 |
К73-17 | 1 | 250 | 1992 | Полиэтилентерефталат | 0,081 |
ECA1EHG | 1000 | 25 | 2019 | Оксидный | 0,48 |
Читателям, вероятно, интересны результаты измерения коэффициента абсорбции некоторых конденсаторов. Они приведены в таблице. Согласно требованиям [2], длительность интервалов t1, t2 и t3 составляла соответственно 3 мин, 5 с и 3 мин.
Литература
1. Диджер Дж. Надёжность как фактор стоимости бытовой электронной аппаратуры. - Электроника, 1973, № 18.
2. ГОСТ 28885-90. Конденсаторы. Методы измерений и испытаний. - URL: http:// gostrf.com/normadata/1 /4294825/429482 5836.pdf (07.10.2019).
Автор: Б. Демченко, г. Киев, Украина